CAD/CAM/CAE基础(三) 材料加工CAE技术基础

文章目录

CAE技术研究目的和内容
- CAE系统的组成模块
- 传热过程的基本方式
- 传热分析的常用数值方法
- 二维温度场的热传导方程
- 对流边界条件和辐射边界条件表达式
- 潜热处理方法
应力分析（焊接、锻造）
流体力学
补充
有限元分析过程
- 前处理
- 计算
- 后处理

CAE技术研究目的和内容

在计算机虚拟的环境下，通过交互方式，制订合理的材料加工工艺，缩短新产品开发周期.降低废品率，提高经济效益。

CAE系统的组成模块

传热过程的基本方式

热传导
热对流
热辐射

1、定义：
热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，其在固体、液体和气体中均可发生，但严格而言，只有在固体中才是纯粹的热传导，而流体即使处于静止状态，其中也会由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流，因此，在流体中热对流与热传导同时发生。
热对流又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，是传热的三种方式之一。
热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。
2、区别：
热传导是热能从高温向低温部分转移的过程；热对流是热量通过流动介质传递的过程；热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，是在真空中唯一的传热方式。

传热分析的常用数值方法

所有的方法，遵循的定律均为傅立叶定律
有限差分法
温度场有限元法

方程描述了在t时间内可以传送l距离的热量的物理极限
认为每个节点的温度表示该节点附件物理区域的热量
考虑单个节点的热量

1在满足求解时间的情况下，细分网格
2加大时间步长，取变步长计算温度。
3集中热容矩阵

均匀细分网格法和逐层细分网格法均能够很好的抑制振荡，细分网格法编程较为简单，但是计算效率较低。为了在采用细分网格法抑制温度振荡时，提高计算效率，从缩短计算时间和提高计算精度出发，结合振荡现象特点，提出S型变步长模型。S变步长基本思想是初始时刻时间步长较小，随着加热或冷却过程的进行，时间步长增加。
直接差分法

边界元法

二维温度场的热传导方程

p25
请写出无内热源条件下的三维热传导微分方程，并叙述其物理意义

对流边界条件和辐射边界条件表达式

潜热处理方法

等价比热法
热焙法
温度回复法

应力分析（焊接、锻造）

流体力学

补充

1.网格划分属于有限元法的前处理模块
2.有限元模拟模型横向为单元，纵向为节点
3.A试样块的初始条件为：温度为1000℃，边界条件分别为与空气中的热对流换热，热辐射换热以及与试样块B之间的热接触换热。
4.零件在油中的冷却过程中与油之间的换热方式属于热对流
5.有限元法的最核心思想是离散化
6.材料加工应力场解析方法通常包括应力法和位移法
7.有限元数值模拟中的边界条件处理一般属于（前处理模块或计算模块）内容。
8.材料属性赋予和几何建模属于有限元数值模拟的前处理模块
9.温度场数值计算的收敛条件
10.流动与传热耦合计算的数学模型主要由动量守恒方程、能量守恒方程、质量守恒方程构成
11.相变潜热数值计算的实际处理方法包括等价比热法、热焓法、温度回复法
12.
13.流体力学最基本的依据是空气动力学
14.请列举出不少于3种的通用有限元软件
ANSYS，MSC.Marc，ABAQUS, DEFORM, DYNA-FORM,PROCAST等等。

有限元分析过程

前处理

创建分析模型，将实际问题或设计方案抽象为能为数值计算提供所有输入数据的有限元模型。

计算

计算的任务是基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。它的主要工作包括单元和总体矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解，由于计算的运算量非常大，所以这部分工作由计算机完成。除计算前需要对计算方法、计算内容、计算参数和工况条件等进行必要的设置和选择外，一般不需要人的干预。 [1]

后处理

后处理的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，以做出相应的改进或优化，这是进行有限元分析的目的所在。