計算機輔助造型以及有限元法是隨著計算機技術的應用而發展起來的一種先進的CAD/CAE技術,廣泛應用于各個領域中的科學計算、設計、分析中,成功的解決了許多復雜的設計和分析問題,已成為工程設計和分析中的重要工具。

此次設計中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實際意義。在三維設計中，設計了一個尾噴管，一個舵，還有一個機翼，其中尾噴管由四部分組成，包括內部的支撐部分，和外部的蒙皮部分。舵和機翼都是由兩個以上的蒙皮表面構成。在有限元分析中，包括金屬薄板的彈塑性分析，以及舵面的彈塑性分析， 其中還對薄板進行了超塑性分析。

一、引言

為了滿足航天產品多品種，小批量研制生產的需要，采用計算機輔助設計制造，實現并行工程，敏捷制造，柔性生產，成為加快我國航天制造技術的發展的有效方法。

傳統的航天零件產品設計、模具設計及加工都是根據二維工程圖樣來完成的，加工出的產品數據精度不高，往往要不斷的修改產品設計，不斷的修改模具，所以，它的研發周長、成本高；采用最新的CAD/CAE/CAM——Pro/Engineer軟件來實現三維設計，可以大大縮短產品研發周期、模具設計周期和加工周期，提高了產品設計的準確性，大大降低產品開發、模具設計成本。由于其功能強大，模塊眾多，使用者要具備較高的操作技巧和較豐富的應用經驗才能熟練地進行建模。這對于普通的設計人員而言，使用Pro／E提供的實體建模模塊進行3D造型設計并非易事，需要設計人員花大量的時問和精力來熟悉Pro／E的建模技術和掌握一定的技巧。

在競爭激烈的市場環境中,為取得競爭優勢,企業迫切需要能夠迅速開發出高質量、低成本的產品,并迅速搶占市場。因此企業界迫切需要高技術、高速度、低成本的設計方法。隨著計算機技術的快速發展和普及,有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域,成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法,有限元在產品設計和研制中所顯示出的無可倫比的優越性,使其成為企業在市場競爭中制勝的一個重要工具。

1.1 國內本領域的現狀

目前在我國計算機輔助設計（CAD）,計算機輔助工程（CAE）已經得到了廣泛的應用，在大多數的大型制造企業已經相當的成熟。如果讓我們調查一下國內企業中CAD的應用，會得出如下結論，很多所謂CAD應用很好的企業，也只是做到用手工出圖轉變為計算機出圖的現狀，當然計算機出圖是有很多優點的，漂亮、規范、修改容易、存檔方便等。但是如果我們只是停留在這個階段，就失去了CAD的作用，因為CAD是輔助設計，不是輔助繪圖。既然是設計就不但想到產品的機械模型，還應想到產品的結構分析、運動機構分析和生產加工處理等，只有這樣才能真正發揮CAD的作用。如果真正做到這一點，單憑二維設計是不夠的，雖然傳統的制圖方法是通過二維視圖來描述三維實體，但這種描述做不到進一步的結構分析、運動機構分析和數控加工，不能真正做到生產的自動化，更有甚者，二維視圖的描述經常出現二意性和理解錯誤，因為人們只是按著一些規定在想象三維的模樣，限于這種描述方法的缺陷，必須找到更先進的、更合理的三維設計手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。當然這個目標要有一個過程，但現在我們必須明確。

1.2 主要內容

此次設計中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實際意義。介紹了建模的幾種方法和理論，以及有限元分析的基本理論。在三維設計中，設計了一個尾噴管，一個舵，還有一個機翼，其中尾噴管由四部分組成，包括內部的支撐部分，和外部的蒙皮部分。舵和機翼都是由兩個以上的蒙皮表面構成。在有限元分析中，包括金屬薄板的彈塑性分析，以及舵面的彈塑性分析， 其中還對薄板進行了超塑性分析。

二、某航天器零件的CAD造型與有限元分析

2.1 Pro/E軟件簡介

Pro/E軟件拋棄傳統CAD 軟件中的線框和表面模型而直接鑒于3D 實體。使設計環境完全從2D或2D與3D混合狀態上升為純3D 模式，在此最直觀的3D 的設計環境中，設計者能更好的捕捉自己的設計意圖和激發設計靈感。

Pro/E 的3D 實體鑒于特征造型技術。在Pro/E 中，所面向的對象包括幾何特征、非幾何特征、零件模型、裝配模型、模具模型、加工模型等等，設計人員通過對這些對象所具有的內在屬性、存在方式和存在狀態的準確把握來得到理想中的模型。

Pro/E中所有的對象都是建立在單一數據庫中。并且此數據庫是唯一的、完整的，因而保證了在Pro/E中進行的任何設計也都是全相關的。在整個設計過程中的任何一處發生參數改動，可以反應到整個設計過程中的相關環節上。設計師可以依靠此功能完全拋棄傳統的工作方法，實現零件設計、模具設計、裝配設計、加工設計等過程同時進行。

Pro/E的3D 特征實體是全參數化的，具有自適應性和智能性。通過完備而準確的參數和資料來驅動實體，產品模型的每一個設計尺寸都對應一個參數，設計人員可以通過命令或者關系式的形式來建立各參數之間的關系，以得到所要求設計的模型。

2.2 某航天器零件的CAD造型

在實體造型的過程中，要根據二維圖紙上的尺寸來進行設計，有一些復雜曲線在pro/E中要靈活對待，也許不同的人對設計同一個零件要花費的時間會相差很大，這就是在繪制圖形的時候所用到的方法不同而導致的。比如一個不同截面的實體用可變截面掃描的方法會最省時間，再比如一個簡單的立方體可以用掃描的方法，也可以用拉伸的方法，一塊薄板周圍有一些不同角度的翹板，考慮是在標準模式下造型還是在板金模式下造型。

2.3 Marc軟件簡介

此次討論就是依據某航天器幾個零件的二維圖紙在Pro／E軟件環境中進行三維造型設計，造型完畢后利用MSC/Marc有限元分析軟件對零件的成型過程進行模擬分析，初步了解零件在加工之前的應變過程及狀態，以及零件的受力、受熱情況，提供一些零件的重要性能參數。

Msc.Marc/Mentat是國際上通用最先進非線性有限元軟件，它是MSC.Software coorperation(簡稱MSC)公司的產品。MSC.Mentat是新一代非線性有限元分析的前后處理圖形交互界面。前者嚴密整合MSC.Marc和MSC.Mentat成為解決復雜工程問題，完成學術研究的高級通用有限元軟件。

2.3.1 MSC.Mentat

MSC.Mentat是新一代非線形有限元分析的前后處理交互界面，與MSC.Marc求解器無縫連接。它具有以ACIS為內核的一流實體造型功能；全自動二維三角形和四邊形，三維四面體和六面體網格自動劃分建模能力；直觀靈活的多種材料模型定義和邊界條件的定義功能；分析過程控制定義和遞交分析，自動檢查分析模型完整性的功能；實時監控分析能力；方便的可視化處理計算結果能力；先進的光照，渲染，動畫和電影制作等圖形功能并可直接訪問常用的CAD/CAE系統，如：ACIS,AutoCAD,C-MOLD,IGES,MSC.Nastran, MSC.Patran IDEAS，VDAFS,STL等等。

2.3.2 MSC.Marc

MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件的求解器，它體現了30多年來有限元分析的理論方法和軟件的完美結合。他具有極強的結構分析沒能力。可以處理各種線性和非線性結構分析。它提供了豐富的機構單元，連接單元和特殊單元的單元庫。MSC,Marc的機構分析材料庫提供了模擬金屬，非金屬，聚合物，巖土，復合材料等多種線性和非線性問題的求解技術。為了進一步提高計算精度和分析效率，MSC.Marc軟件提供了多種功能強大的加載步長自適應控制技術，自動確定分析加載步長。MSC.Marc卓越的網格自適應技術，以多種誤差準則自動調節網格疏密，即保證了計算精度，同時也使非線性分析的計算效率大大提高。此外，MSC.Marc支持全自動網格重劃，用以糾正過度變形產生的網格畸變，確保大變形分析的繼續進行。

計算機輔助造型以及有限元法是隨著計算機技術的應用而發展起來的一種先進的CAD/CAE技術,廣泛應用于各個領域中的科學計算、設計、分析中,成功的解決了許多復雜的設計和分析問題,已成為工程設計和分析中的重要工具。

此次設計中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實際意義。在三維設計中，設計了一個尾噴管，一個舵，還有一個機翼，其中尾噴管由四部分組成，包括內部的支撐部分，和外部的蒙皮部分。舵和機翼都是由兩個以上的蒙皮表面構成。在有限元分析中，包括金屬薄板的彈塑性分析，以及舵面的彈塑性分析， 其中還對薄板進行了超塑性分析。

2.4 有限元分析在工程上的應用

目前,有限元法在機械工程上的應用主要有以下幾個方面:

靜力學分析:這是對二維或三維的機械結構承載后的應力、應變和變形分析,是有限元法在機械工程中最基本、最常用的分析類型。當作用在結構上的載荷不隨時間變化或隨時何的變化十分緩慢,應進行靜力學分析。

模態分析:這是動力學分析的一種,用于研究結構的固有頻率和自振型式等振動特性。進行這種分析時所施加的載荷只能是位移載荷和預應力載荷。

諧響應分析和瞬態動力學分析:這兩類分析也屬動力學分析,用于研究結構對周期載荷和非周期載荷的動態響應。

熱應力分析:這類分析用于研究、結構的工作溫度不等于安裝溫度時,或工作時結構內部存在溫度分布時,結構內部的溫度應力。

接觸分析:這是一種狀態非線性分析,用于分析2個結構物發生接觸時的接觸面狀態、法向力等。由于機械結構中結構與結構間力的傳遞均是通過接觸來實現的,所以有限元法在機械結構中的應用很多都是接觸分析。但是,以前受計算能力的制約,接觸分析應用的較少。

屈曲分析:這是一種幾何非線性分析,用于確定結構開始變得不穩定時的臨界載荷和屈曲模態形狀,例如壓桿穩定性問題。

在競爭激烈的市場環境中,為取得競爭優勢,企業迫切需要能夠迅速開發出高質量、低成本的產品,并迅速搶占市場。因此企業界迫切需要高技術、高速度、低成本的設計方法。隨著計算機技術的快速發展和普及,有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域,成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法,有限元在產品設計和研制中所顯示出的無可倫比的優越性,使其成為企業在市場競爭中制勝的一個重要工具。

2.5 有限元法分析的基本步驟

物體離散化。將分析的對象離散為有限個單元,單元的數量根據需要和計算精度而定。一般情況下,單元劃分越細則描述變形情況越精確,越接近實際變形,但計算量越大。

單元特性分析。首先進行位移模式選擇。有限元法通常采用位移法,因此應先選擇合理的位移模式(位移函數) 。然后分析單元的力學性質。根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節點數目、位置及其含義,找出單元節點力和節點位移的關系式,亦即導出單元剛度矩陣,這是分析中的關鍵一步。最后計算等效節點力。將單元邊界上的表面力、體積力或集中力等效地轉移到節點上,也就是用等效的節點力來代替所有作用在單元上的力。

單元組集。利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新聯結起來,形成整體剛度矩陣。

求解未知節點位移。解有限元方程求出節點位移,然后根據節點位移求出所有的未知量。歸根到底,有限元法是求解常,偏微分方程的一種方法。理論上講,凡能夠歸納為求解微分方程的工程問題都可以用有限元法來解決。因此有限元法可以進行結構、熱、電磁、流體、聲學等分析。

本次討論主要進行彈塑性分析。彈塑性是最常見，被研究得最透徹的材料非線性行為。采用屈服面，塑性勢和流動定律得彈塑性力學模型，在20世紀初就幾經建立起來，這些理論已經在金屬和泥土塑性領域得到了廣泛的應用，并已經編成數值成形分析工具， 但塑性有限元發已經獲得了廣泛的應用。

描述超出線彈性范圍的材料的塑性理論由三個重要概念組成：

1.屈服準則（Von Mises屈服準則；Mohr-Coulomb和Drucker prager準則）

2.流動準則

3.硬化準則

三、總結和展望

3.1 總結

通過運用計算機輔助造型及輔助工程的初步實踐，以及與傳統的設計制造過程的對比，切實體會到了數字化設計，制造的優越性，將CAD與CAE有機的結合，將大大縮短產品的研制周期，降低成本，有效地提高產品的市場競爭力。計算機輔助造型以及有限元法是隨著計算機技術的應用而發展起來的一種先進的CAD/CAE技術,廣泛應用于各個領域中的科學計算、設計、分析中,成功的解決了許多復雜的設計和分析問題,已成為工程設計和分析中的重要工具。此次設計中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實際意義。了解了建模的幾種方法和理論，以及有限元分析的基本理論，以便更好地理解造型及有限元方法在工程中的應用。通過這些方法的學習和使用，為以后更好地應用和實踐計算機輔助工程打下堅實的基礎。能夠更加有效地更加快捷地對產品進行設計制造，降低產品研制成本，提高產品的市場競爭力，全面實現產品的數字化設計制造工程。

3.2 展望

產品的開發應用離不開工程設計人員、工程管理人員、計算機專業人員的大力配合,只有把設計工作的實際經驗和計算機技術結合起來,才能提高系統的實用性和先進性。因此,應有計劃地培養既懂專業又懂計算機的復合型人才,充實到設計隊伍和管理隊伍中去。

CAD技術的發展趨勢主要體現在以下幾方面∶

標準化

CAD軟件一般應集成在一個異構的工作平臺之上，只有依靠標準化技術才能解決CAD系統支持異構跨平臺的環境問題。目前，除了CAD支撐軟件逐步實現ISO標準和工業標準外，面向應用的標準零部件庫、標準化設計方法已成為CAD系統中的必備內容，且向合理化工程設計的應用方向發展。

開放性

CAD系統目前廣泛建立在開放式操作系統視窗95/98/2000/NT和UNIX平臺上，為最終用戶提供二次開發環境，甚至這類環境可開發其內核源碼，使用戶可定制自己的CAD系統。

集成化

CAD技術的集成化將體現在三個層次上∶其一是廣義CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP經過多種集成形式，成為企業一體化解決方案。新產品設計能力與現代企業管理能力的集成，將成為企業信息化的重點；其二是將CAD技術采用的算法，甚至功能模塊或系統，做成專用芯片，以提高CAD系統的使用效率；其三是CAD基于計算機網絡環境實現異地、異構系統在企業間的集成。應運而生的虛擬設計、虛擬制造、虛擬企業就是該集成層次上的應用。例如，在美國通用汽車公司的生產過程，大量的零部件生產、裝配都通過“虛擬工廠”、“動態企業聯盟”的方式完成，本企業只負責產品總體設計和生產少數零部件，并最終完成產品的裝配。

智能化

設計是一個含有高度智能的人類創造性活動領域，智能CAD是CAD發展的必然方向。從人類認識和思維的模型來看，現有的人工智能技術模擬人類的思維活動明顯不足。因此，智能CAD不僅是簡單地將現有的智能技術與CAD技術相結合，更重要的是深入研究人類設計的思維模型，最終用信息技術來表達和模擬它，才會產生高效的CAD系統，為人工智能領域提供新的理論和方法。CAD的這個發展趨勢，將對信息科學的發展產生深刻的影響。

虛擬現實(VR)與CAD集成

VR技術在CAD中的應用面很廣，首先可以進行各類具有沉浸感的可視化模擬，用以驗證設計的正確性和可行性。例如用這種模擬技術進行設計分析，可以清楚地看到物體的變形過程和應力分布情況。其次它還可以在設計階段模擬產品裝配過程，檢查所用零部件是否合適和正確。在概念設計階段，它可用于方案優化。特別是利用VR的交互能力，支援概念設計中的人機工程學，檢驗操作時是否舒適、方便，這對摩托車、汽車、飛機等的設計作用尤其顯著，在協同設計中，利用VR技術，設計群體可直接對所設計的產品進行交互。更加逼真地感知到正在和自己交互的全體成員的存在和相互間的活動。盡管VR技術在CAD中的應用前景誘人，不過離廣泛推廣應用還有一定距離。

CAE技術的發展趨勢將體現在以下幾方面∶

真三維圖形處理與虛擬現實

隨著專用於圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片的發展，PC機的圖形處理能力近兩年會有成百倍的提高，再加上三維圖形算法、圖形運算和參數化建模算法的發展，快速真三維的虛擬現實技術將會成熟。因此CAE軟件的前后處理系統將會在復雜的三維實體建模及相關的靜態和動態圖形處理技術方面有新的發展，例如復雜的三維實體建模及相應的自適應有限元剖分，復雜的動態物理場的虛擬現實與即時提示等。

面向對象的工程數據庫及其管理系統

高性能價格比的大容量存貯器及其高速存取技術在迅速發展，PC機的硬盤容量很快將由GB量級達到TB量級，用戶將要求把更多的計算模型、設計方案、標準規范和知識性信息納入CAE軟件的數據庫中，這必將推動CAE軟件數據庫及其數據管理技術的發展，高性能的面向對象的工程數據庫及管理系統將會出現在新一代的CAE軟件中。

多相多態介質耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析 目前的CAE軟件，都僅限與宏觀物理、力學模型的工程和產品分析，雖然有少數軟件涉足了微機電系統分析，但其物理力學模型尚存在一定問題。值得指出的是∶對于多物理場的強耦合問題、多相多態介質耦合問題，特別是多尺度模型的耦合問題，目前尚處于基礎性前沿研究階段。但是，它們已成為國內外科學家的重點研究課題，由于其強烈的工業背景，基礎研究的任何突破，都會被迅速納入CAE軟件，不久的將來，將形成從材料性能的預測、仿真，到構件與整個產品性能的預測、仿真，集計算機輔助材料設計制備，到工程或產品的設計、仿真與優化於一體的新一代CAE系統。

適應于超級并行計算機和機群的高性能CAE求解技術CAD/CAE/CAM已成為技術人員實施技術創新的得力工具，每秒千億次、萬億次、千萬億次及量子計算機即將誕生，分布式并行計算機群即將投入使用，為適應這種情況，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些實用的新算法將不斷問世。這些新的高性能算法必然會被做成CAE的軟件模塊，使其在對復雜的工程或產品仿真時，能夠充分發揮超級并行計算系統的軟、硬件資源，高效率和高精度地獲得計算結果。

GUI＋多媒體的用戶介面

伴隨著計算機圖形用戶介面（GUI）和聯機共用的圖形與數據庫軟件的發展，狹義的語音輸入/輸出已成現實，計算機視覺系統很快能在一定范圍內分析體態、眼神和手勢，不久的將來會聽、看、說、寫和學習的計算機將問世，這些多媒體技術一定會使未來CAD/CAE/CAM軟件的用戶介面具有更強的直觀、直感和直覺性， CAE軟件將來不僅具有常見的彈出式下拉菜單，對話框、工具桿和多種數據導入的宏命令，還要開發若干專用的智能用戶介面，幫助用戶選擇單元形態，分析流程，判斷分析結果等，使某些專業用戶使用CAE軟件，就像使用“傻瓜”相機一樣，具有一按即得的功效。