CAD/CAE在航天领域中的应用概述

计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。

此次设计中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的压力成型分析，具有工程上的实际意义。在三维设计中，设计了一个尾喷管，一个舵，还有一个机翼，其中尾喷管由四部分组成，包括内部的支撑部分，和外部的蒙皮部分。舵和机翼都是由两个以上的蒙皮表面构成。在有限元分析中，包括金属薄板的弹塑性分析，以及舵面的弹塑性分析， 其中还对薄板进行了超塑性分析。

一、引言

为了满足航天产品多品种，小批量研制生产的需要，采用计算机辅助设计制造，实现并行工程，敏捷制造，柔性生产，成为加快我国航天制造技术的发展的有效方法。

传统的航天零件产品设计、模具设计及加工都是根据二维工程图样来完成的，加工出的产品数据精度不高，往往要不断的修改产品设计，不断的修改模具，所以，它的研发周长、成本高；采用最新的CAD/CAE/CAM——Pro/Engineer软件来实现三维设计，可以大大缩短产品研发周期、模具设计周期和加工周期，提高了产品设计的准确性，大大降低产品开发、模具设计成本。由于其功能强大，模块众多，使用者要具备较高的操作技巧和较丰富的应用经验才能熟练地进行建模。这对于普通的设计人员而言，使用Pro／E提供的实体建模模块进行3D造型设计并非易事，需要设计人员花大量的时问和精力来熟悉Pro／E的建模技术和掌握一定的技巧。

在竞争激烈的市场环境中,为取得竞争优势,企业迫切需要能够迅速开发出高质量、低成本的产品,并迅速抢占市场。因此企业界迫切需要高技术、高速度、低成本的设计方法。随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法,有限元在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性,使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具。

1.1 国内本领域的现状

目前在我国计算机辅助设计（CAD）,计算机辅助工程（CAE）已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。如果让我们调查一下国内企业中CAD的应用，会得出如下结论，很多所谓CAD应用很好的企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。但是如果我们只是停留在这个阶段，就失去了CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。如果真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽然传统的制图方法是通过二维视图来描述三维实体，但这种描述做不到进一步的结构分析、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，更有甚者，二维视图的描述经常出现二意性和理解错误，因为人们只是按着一些规定在想象三维的模样，限于这种描述方法的缺陷，必须找到更先进的、更合理的三维设计手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容为一体。当然这个目标要有一个过程，但现在我们必须明确。

1.2 主要内容

此次设计中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的压力成型分析，具有工程上的实际意义。介绍了建模的几种方法和理论，以及有限元分析的基本理论。在三维设计中，设计了一个尾喷管，一个舵，还有一个机翼，其中尾喷管由四部分组成，包括内部的支撑部分，和外部的蒙皮部分。舵和机翼都是由两个以上的蒙皮表面构成。在有限元分析中，包括金属薄板的弹塑性分析，以及舵面的弹塑性分析， 其中还对薄板进行了超塑性分析。

二、某航天器零件的CAD造型与有限元分析

2.1 Pro/E软件简介

Pro/E软件抛弃传统CAD 软件中的线框和表面模型而直接鉴于3D 实体。使设计环境完全从2D或2D与3D混合状态上升为纯3D 模式，在此最直观的3D 的设计环境中，设计者能更好的捕捉自己的设计意图和激发设计灵感。

Pro/E 的3D 实体鉴于特征造型技术。在Pro/E 中，所面向的对象包括几何特征、非几何特征、零件模型、装配模型、模具模型、加工模型等等，设计人员通过对这些对象所具有的内在属性、存在方式和存在状态的准确把握来得到理想中的模型。

Pro/E中所有的对象都是建立在单一数据库中。并且此数据库是唯一的、完整的，因而保证了在Pro/E中进行的任何设计也都是全相关的。在整个设计过程中的任何一处发生参数改动，可以反应到整个设计过程中的相关环节上。设计师可以依靠此功能完全抛弃传统的工作方法，实现零件设计、模具设计、装配设计、加工设计等过程同时进行。

Pro/E的3D 特征实体是全参数化的，具有自适应性和智能性。通过完备而准确的参数和资料来驱动实体，产品模型的每一个设计尺寸都对应一个参数，设计人员可以通过命令或者关系式的形式来建立各参数之间的关系，以得到所要求设计的模型。

2.2 某航天器零件的CAD造型

在实体造型的过程中，要根据二维图纸上的尺寸来进行设计，有一些复杂曲线在pro/E中要灵活对待，也许不同的人对设计同一个零件要花费的时间会相差很大，这就是在绘制图形的时候所用到的方法不同而导致的。比如一个不同截面的实体用可变截面扫描的方法会最省时间，再比如一个简单的立方体可以用扫描的方法，也可以用拉伸的方法，一块薄板周围有一些不同角度的翘板，考虑是在标准模式下造型还是在板金模式下造型。

2.3 Marc软件简介

此次讨论就是依据某航天器几个零件的二维图纸在Pro／E软件环境中进行三维造型设计，造型完毕后利用MSC/Marc有限元分析软件对零件的成型过程进行模拟分析，初步了解零件在加工之前的应变过程及状态，以及零件的受力、受热情况，提供一些零件的重要性能参数。

Msc.Marc/Mentat是国际上通用最先进非线性有限元软件，它是MSC.Software coorperation(简称MSC)公司的产品。MSC.Mentat是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面。前者严密整合MSC.Marc和MSC.Mentat成为解决复杂工程问题，完成学术研究的高级通用有限元软件。

2.3.1 MSC.Mentat

MSC.Mentat是新一代非线形有限元分析的前后处理交互界面，与MSC.Marc求解器无缝连接。它具有以ACIS为内核的一流实体造型功能；全自动二维三角形和四边形，三维四面体和六面体网格自动划分建模能力；直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功能；分析过程控制定义和递交分析，自动检查分析模型完整性的功能；实时监控分析能力；方便的可视化处理计算结果能力；先进的光照，渲染，动画和电影制作等图形功能并可直接访问常用的CAD/CAE系统，如：ACIS,AutoCAD,C-MOLD,IGES,MSC.Nastran, MSC.Patran IDEAS，VDAFS,STL等等。

2.3.2 MSC.Marc

MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，它体现了30多年来有限元分析的理论方法和软件的完美结合。他具有极强的结构分析没能力。可以处理各种线性和非线性结构分析。它提供了丰富的机构单元，连接单元和特殊单元的单元库。MSC,Marc的机构分析材料库提供了模拟金属，非金属，聚合物，岩土，复合材料等多种线性和非线性问题的求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率，MSC.Marc软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析加载步长。MSC.Marc卓越的网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，即保证了计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，MSC.Marc支持全自动网格重划，用以纠正过度变形产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。

计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。

此次设计中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的压力成型分析，具有工程上的实际意义。在三维设计中，设计了一个尾喷管，一个舵，还有一个机翼，其中尾喷管由四部分组成，包括内部的支撑部分，和外部的蒙皮部分。舵和机翼都是由两个以上的蒙皮表面构成。在有限元分析中，包括金属薄板的弹塑性分析，以及舵面的弹塑性分析， 其中还对薄板进行了超塑性分析。

2.4 有限元分析在工程上的应用

目前,有限元法在机械工程上的应用主要有以下几个方面:

静力学分析:这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形分析,是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时何的变化十分缓慢,应进行静力学分析。

模态分析:这是动力学分析的一种,用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。

谐响应分析和瞬态动力学分析:这两类分析也属动力学分析,用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。

热应力分析:这类分析用于研究、结构的工作温度不等于安装温度时,或工作时结构内部存在温度分布时,结构内部的温度应力。

接触分析:这是一种状态非线性分析,用于分析2个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的,所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。但是,以前受计算能力的制约,接触分析应用的较少。

屈曲分析:这是一种几何非线性分析,用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状,例如压杆稳定性问题。

在竞争激烈的市场环境中,为取得竞争优势,企业迫切需要能够迅速开发出高质量、低成本的产品,并迅速抢占市场。因此企业界迫切需要高技术、高速度、低成本的设计方法。随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法,有限元在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性,使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具。

2.5 有限元法分析的基本步骤

物体离散化。将分析的对象离散为有限个单元,单元的数量根据需要和计算精度而定。一般情况下,单元划分越细则描述变形情况越精确,越接近实际变形,但计算量越大。

单元特性分析。首先进行位移模式选择。有限元法通常采用位移法,因此应先选择合理的位移模式(位移函数) 。然后分析单元的力学性质。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义,找出单元节点力和节点位移的关系式,亦即导出单元刚度矩阵,这是分析中的关键一步。最后计算等效节点力。将单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地转移到节点上,也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

单元组集。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联结起来,形成整体刚度矩阵。

求解未知节点位移。解有限元方程求出节点位移,然后根据节点位移求出所有的未知量。归根到底,有限元法是求解常,偏微分方程的一种方法。理论上讲,凡能够归纳为求解微分方程的工程问题都可以用有限元法来解决。因此有限元法可以进行结构、热、电磁、流体、声学等分析。

本次讨论主要进行弹塑性分析。弹塑性是最常见，被研究得最透彻的材料非线性行为。采用屈服面，塑性势和流动定律得弹塑性力学模型，在20世纪初就几经建立起来，这些理论已经在金属和泥土塑性领域得到了广泛的应用，并已经编成数值成形分析工具， 但塑性有限元发已经获得了广泛的应用。

描述超出线弹性范围的材料的塑性理论由三个重要概念组成：

1.屈服准则（Von Mises屈服准则；Mohr-Coulomb和Drucker prager准则）

2.流动准则

3.硬化准则

三、总结和展望

3.1 总结

通过运用计算机辅助造型及辅助工程的初步实践，以及与传统的设计制造过程的对比，切实体会到了数字化设计，制造的优越性，将CAD与CAE有机的结合，将大大缩短产品的研制周期，降低成本，有效地提高产品的市场竞争力。计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。此次设计中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的压力成型分析，具有工程上的实际意义。了解了建模的几种方法和理论，以及有限元分析的基本理论，以便更好地理解造型及有限元方法在工程中的应用。通过这些方法的学习和使用，为以后更好地应用和实践计算机辅助工程打下坚实的基础。能够更加有效地更加快捷地对产品进行设计制造，降低产品研制成本，提高产品的市场竞争力，全面实现产品的数字化设计制造工程。

3.2 展望

产品的开发应用离不开工程设计人员、工程管理人员、计算机专业人员的大力配合,只有把设计工作的实际经验和计算机技术结合起来,才能提高系统的实用性和先进性。因此,应有计划地培养既懂专业又懂计算机的复合型人才,充实到设计队伍和管理队伍中去。

CAD技术的发展趋势主要体现在以下几方面∶

标准化

CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。

开放性

CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统视窗95/98/2000/NT和UNIX平台上，为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己的CAD系统。

集成化

CAD技术的集成化将体现在三个层次上∶其一是广义CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式，成为企业一体化解决方案。新产品设计能力与现代企业管理能力的集成，将成为企业信息化的重点；其二是将CAD技术采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的使用效率；其三是CAD基于计算机网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。例如，在美国通用汽车公司的生产过程，大量的零部件生产、装配都通过“虚拟工厂”、“动态企业联盟”的方式完成，本企业只负责产品总体设计和生产少数零部件，并最终完成产品的装配。

智能化

设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。

虚拟现实(VR)与CAD集成

VR技术在CAD中的应用面很广，首先可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性。例如用这种模拟技术进行设计分析，可以清楚地看到物体的变形过程和应力分布情况。其次它还可以在设计阶段模拟产品装配过程，检查所用零部件是否合适和正确。在概念设计阶段，它可用于方案优化。特别是利用VR的交互能力，支援概念设计中的人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，这对摩托车、汽车、飞机等的设计作用尤其显著，在协同设计中，利用VR技术，设计群体可直接对所设计的产品进行交互。更加逼真地感知到正在和自己交互的全体成员的存在和相互间的活动。尽管VR技术在CAD中的应用前景诱人，不过离广泛推广应用还有一定距离。

CAE技术的发展趋势将体现在以下几方面∶

真三维图形处理与虚拟现实

随着专用於图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片的发展，PC机的图形处理能力近两年会有成百倍的提高，再加上三维图形算法、图形运算和参数化建模算法的发展，快速真三维的虚拟现实技术将会成熟。因此CAE软件的前后处理系统将会在复杂的三维实体建模及相关的静态和动态图形处理技术方面有新的发展，例如复杂的三维实体建模及相应的自适应有限元剖分，复杂的动态物理场的虚拟现实与即时提示等。

面向对象的工程数据库及其管理系统

高性能价格比的大容量存贮器及其高速存取技术在迅速发展，PC机的硬盘容量很快将由GB量级达到TB量级，用户将要求把更多的计算模型、设计方案、标准规范和知识性信息纳入CAE软件的数据库中，这必将推动CAE软件数据库及其数据管理技术的发展，高性能的面向对象的工程数据库及管理系统将会出现在新一代的CAE软件中。

多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析 目前的CAE软件，都仅限与宏观物理、力学模型的工程和产品分析，虽然有少数软件涉足了微机电系统分析，但其物理力学模型尚存在一定问题。值得指出的是∶对于多物理场的强耦合问题、多相多态介质耦合问题，特别是多尺度模型的耦合问题，目前尚处于基础性前沿研究阶段。但是，它们已成为国内外科学家的重点研究课题，由于其强烈的工业背景，基础研究的任何突破，都会被迅速纳入CAE软件，不久的将来，将形成从材料性能的预测、仿真，到构件与整个产品性能的预测、仿真，集计算机辅助材料设计制备，到工程或产品的设计、仿真与优化於一体的新一代CAE系统。

适应于超级并行计算机和机群的高性能CAE求解技术CAD/CAE/CAM已成为技术人员实施技术创新的得力工具，每秒千亿次、万亿次、千万亿次及量子计算机即将诞生，分布式并行计算机群即将投入使用，为适应这种情况，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些实用的新算法将不断问世。这些新的高性能算法必然会被做成CAE的软件模块，使其在对复杂的工程或产品仿真时，能够充分发挥超级并行计算系统的软、硬件资源，高效率和高精度地获得计算结果。

GUI＋多媒体的用户介面

伴随着计算机图形用户介面（GUI）和联机共用的图形与数据库软件的发展，狭义的语音输入/输出已成现实，计算机视觉系统很快能在一定范围内分析体态、眼神和手势，不久的将来会听、看、说、写和学习的计算机将问世，这些多媒体技术一定会使未来CAD/CAE/CAM软件的用户介面具有更强的直观、直感和直觉性， CAE软件将来不仅具有常见的弹出式下拉菜单，对话框、工具杆和多种数据导入的宏命令，还要开发若干专用的智能用户介面，帮助用户选择单元形态，分析流程，判断分析结果等，使某些专业用户使用CAE软件，就像使用“傻瓜”相机一样，具有一按即得的功效。