【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)的應(yīng)用方面與發(fā)達國家相比水平還比較低。大多數(shù)的工業(yè)企業(yè)對 CAE 技術(shù)還處于初步的認同階段， CAE 技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)碾y度。這是因為，一方面我們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 分析軟件，另一方面大量缺乏掌握 CAE 技術(shù)的科技人員。對于計 算機分析軟件問題，目前雖然可以通過技術(shù)引進以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟件的價格一般都相當(dāng)貴，國內(nèi)不可能有很多企業(yè)購買這類軟件來使用。而人才的培養(yǎng)則需要一個長期的過程，這將是對我國 CAE 技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生嚴重影響的一個制約因素，而且很難在短期內(nèi)有明顯的改觀。提高我國工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平，將 CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計與制造過程還是一項相當(dāng)艱巨的工作。 本課題主要目的 本課題的目的是了解 CAE技術(shù)的現(xiàn)狀及 CAE分析的理論方法 — 有限元分析法，掌握 CAE分析軟件 IDEAS對產(chǎn)品熱分析的基本方法和過 程，并能利用大學(xué)所學(xué)習(xí)的力學(xué)原理對分析結(jié)果進行簡單判斷，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，改進和優(yōu)化設(shè)計方案，證實未來工程 /產(chǎn)品的可用性和可靠性。通過對此課題的學(xué)習(xí)，鞏固大學(xué)所學(xué)的專業(yè)知識，進一步加深對 CAE領(lǐng)域和自己工作內(nèi)容的了解，并對以后的工作和學(xué)習(xí)能有所幫助和提高。 論文以通用 CAE分析軟件 IDEAS在工程分析中的運用為背景，具體以微波芯片散熱仿真、熱分析為實例，詳細介紹 IDEAS軟件的操作方法和目的。包括：IDEAS軟件 ESC(電子散熱系統(tǒng) )模塊進行熱分析的有限元建模方法、數(shù)值仿真的基本過程、軟件計算結(jié)果與實 驗及理論手動驗算結(jié)果的對比。 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2 IDEAS 的有限元使用方法 IDEAS 軟件及有限元法概述 IDEAS 軟件概述 IDEAS軟件是 SDRC（ Structural Dynamics Research Corporation）公司的產(chǎn)品。 SDRC 公司是世界領(lǐng)先的機械設(shè)計自動化（ MDA）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ PDM）系統(tǒng)及工程服務(wù)公司。公司成立于 1967 年，總部設(shè)在美國俄亥俄州辛辛那提。 IDEAS軟件是一套完全一體化的，面向二十一世紀的解決方案。這套完整方案貫串了從概念設(shè)計直到生產(chǎn)開 發(fā)的全過程，涵蓋了機械設(shè)計自動化，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，協(xié)同產(chǎn)品商務(wù)（ CPC）以及工程資訊和實施服務(wù)等各方面。 產(chǎn)品仿真（ Simulation）是其模塊之一，其中仿真建模（ Simulation Modeling Set）是 MDA 集成環(huán)境中的有限元建模和結(jié)果可視化工具。直接利用 I－ Deas 軟件主模塊或裝配，或其它 CAD 系統(tǒng)輸入的模型快速建立數(shù)字化的產(chǎn)品估計模型，仿真模型和設(shè)計模型具有相關(guān)性。 仿真求解（ Simulation Solution Linear）是有限元求解器，包括結(jié)構(gòu)的線性靜態(tài)分析和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。 非線性求解器（ Model Solution Non－ Linear）支持幾何非線性，材料非線性，彈塑性及綜合非線性分析，利用 Newton－ Raphson 方法求解非線性方程組。 變量化分析（ Variational Analysis）使仿真在設(shè)計初期介入設(shè)計過程，利用單一模型進行廣泛的設(shè)計探索。變量化分析在設(shè)計可變的全變量范圍內(nèi)自動地解算有限元模型，通過一次網(wǎng)格劃分和解算生成設(shè)計手冊式結(jié)果，得到多種可對比的方案。 相應(yīng)分析（ Response Analysis）用來探索結(jié)構(gòu)在靜態(tài)，瞬態(tài)，諧波和隨機激勵下的受迫響應(yīng) ，模態(tài)可以來自結(jié)構(gòu)分析或測試。 Femap 是基于幾何的，用于有限元模型前后處理系統(tǒng)。采用 Windows Native技術(shù)，使得幾何及圖形信息交互靈活，完成的前后處理工作具有高質(zhì)量、專業(yè)化、快捷的特點。同時與其它 CAD/CAE 系統(tǒng)有良好的兼容性，適用不同硬件及操作系統(tǒng)環(huán)境。 有限元法的基本概念 許多工程分析問題，如固體力學(xué)中位移場和應(yīng)力場分析、振動特性分析、傳熱學(xué)中的溫度場分析、流體力學(xué)中的流場分析等都可以歸結(jié)為在給定的邊界條件下求解其控制方程（一般為偏微分方程）的問題。這些控制方程只有在及其簡 單鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 的情況下才能獲得解析解，大部分情況下只能用數(shù)值方法求得其近似解。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值解法變得越來越重要。有限單元法就是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。有限元法通用性好，應(yīng)用廣泛，其基本思想是將問題的求解域劃分為一系列單元，單元之間僅靠節(jié)點連接。單元內(nèi)部的待求量可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點量之間的方程式然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，記入邊界條件后即可對方程組求解。單元劃分越細，計算結(jié)果就越 準確。 有限元法的基本思想早在 40 年代初期就有人提出，但真正用于工程中則是電子計算機出現(xiàn)后?！坝邢拊ā边@一名稱是 1960 年美國的克拉夫在一篇題為“平面應(yīng)力分析的有限元法”論文中首先使用的。此后，有限元法的應(yīng)用得到蓬勃的發(fā)展。到 80 年代初期國際上大型的結(jié)構(gòu)分析有限元通用程序達到幾百種，其中著名的有 NASTRAN、 ANSYS、 ASKA、 ADINA、 SAP 等。它們采用 FORTRAN語言編寫，規(guī)模達幾萬條甚至幾十萬條語句。其功能越來越完善，不僅包含多種條件下的有限元分析程序，而且?guī)в泄δ軓姶蟮那疤幚恚ㄗ?動生成單元網(wǎng)格，形成輸入數(shù)據(jù)文件）和后處理（顯示計算結(jié)果、繪制變形圖、等值線圖（如等溫度、等應(yīng)力線、等位移線等）、振型圖并可動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)等）程序。由于有限元通用程序使用方便，計算精度高，其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)計性能分析的可靠依據(jù)。有限元分析、計算機圖形學(xué)、優(yōu)化技術(shù)與可靠性相結(jié)合可形成完整的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，從而可以顯著提高產(chǎn)品設(shè)計性能、縮短生產(chǎn)周期以增強產(chǎn)品的市場競爭力。 有限元法應(yīng)用范圍很廣，它不但可解決工程中的線性問題、非線性問題，而且對于各種不同性質(zhì)的固體材料，如各向同性和各向異 性材料，粘彈性和塑性材料以及流體均能求解；另外，對于工程中最有普遍意義的非穩(wěn)態(tài)問題也能求解，甚至還能模擬構(gòu)件之間的高速碰撞、炸藥的爆炸和應(yīng)力波的傳播。目前，有限元法的應(yīng)用已遍布機械、建筑、礦山、冶金、材料、化工、能源、交通、電磁甚至日常生活用品設(shè)計分析的各個領(lǐng)域中。 IDEAS 進行有限元分析的基本過程 為有限元模型準備零件 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 2－ 1 模型準備 （ 1）隱藏特征 — 過多的諸如倒角、倒邊、孔之類的特征，使得零件建模困難。要使零件簡化應(yīng)隱藏不必要的特征。操作如下： 點 Modify → 選取零件 及要隱藏的特征 → 從菜單中點取 Suppress → 點取Update觀察結(jié)果。（ Update用于修改后更新模型并觀察結(jié)果） （ 2）生成曲面 — 生成薄殼網(wǎng)格的表面常使用下面兩種方法： 點取 Plannar Surface，選共面的線框及邊創(chuàng)建表面。 點取 Surface by Boundary，選線框及邊生成表面。 （ 3）曲線向表面上投影 — 在定義輪廓表面上的曲線時，表面投影曲線是很有用的，與裁剪表面連接就是一個典型應(yīng)用。投影曲線具有歷史記錄，可以修改其外觀。曲線向表面投影操作如下： 在平面上定義曲線 → 點取 Project Curve圖標，選取要投影的目標表面 → 選要投影的曲線或截面 → 選投影方向。 （ 4）裁剪曲面 — 曲面可以被分區(qū)以定義單元的邊界或進行映射式網(wǎng)格劃分。操作如下： 點取 Surface Operators圖標，打開 Surface Abstraction面板 → 點取 Trim Surface → 選取要裁剪或分區(qū)的表面 → 選取用來分割表面的曲線 → 點取曲面上的邊。 （ 5）縫合曲面 — 曲面可以在公共邊處合并在一起消除縫隙，縫合曲面的操作如下： 從 Surface Abstraction面邊版上點取 Stitch Surface圖標 → 從隱式菜單中選取Select Surface → 選取 all。 （ 6）檢查曲面上的自由邊 — 自由邊是表面上不被其他表面共享的邊，零件內(nèi)部高亮度的邊表明表面間存在縫隙，這些縫隙會導(dǎo)致網(wǎng)格不連續(xù)。可以按以下操作顯示自由邊： 從 Surface Abstraction面板點取 Show Free Edges → 選取要檢查的表面（自由邊用虛線標示）。 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 （ 7）零件分區(qū) — Partition命令在零件內(nèi)部增加表面將零件分成多個區(qū)域。進行映射式網(wǎng)格劃分控制自由網(wǎng)格質(zhì)量時零件分區(qū)很有用。零件分區(qū)操 作如下： 從 Master Modeler的面板中點取 Partition → 選取要被分區(qū)的零件 → 選取零件或表面分割將被分區(qū)的零件。 網(wǎng)格劃分 圖 2－ 2 生成自由網(wǎng)格 生成自由網(wǎng)格：自由網(wǎng)格劃分在幾何表面及實體上自動生成節(jié)點及單元。這種網(wǎng)格形式比映射網(wǎng)格更加靈活，表面及實體的邊界也可以更復(fù)雜。它可以劃分有孔的表面，體、孔洞及內(nèi)部空腔。以下內(nèi)容包括 （ 1）確定網(wǎng)格類型 圖 2－ 3 網(wǎng)格類型 （ 2）確定網(wǎng)格尺寸和屬性（殼單元為例） 薄板結(jié)構(gòu)采用殼單元 厚墻狀結(jié)構(gòu)采用實體單元 細長結(jié)構(gòu)采用梁單元 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 2－ 4 網(wǎng)格尺寸和屬性 Element Length：單元長度 — 控制網(wǎng)格密度。 Element Family：單元族 — 薄殼單元，軸對稱單元，平面應(yīng)力、平面應(yīng)變單元。 Element Type：單元類型 — 線性或二次三角型單元，線性或二次四邊形單元。 Physical Property：物理屬性 — 控制單元厚度。 Material：材料屬性 — 定義模型材料性質(zhì)（ 例如鐵、樹脂、空氣等）。 （ 3）設(shè)定基于曲率的長度：可使軟件計算得到基于邊的曲率的單元長度 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 2－ 5 設(shè)定基于曲率的長度 基于曲率的長度，可使軟件計算得到基于邊的曲率的單元長度。 選取 None 選項，單元長度按在單元長度域中鍵入的值。 選取 Percent Deviation 選項，單元長度基于偏離曲線 的百分比，用弦高 /弦長表示。鍵入值為 1 – 100。 選取 Absolute Deviation 選項，單元長度是與邊的絕對偏移量（弦高） （ 4）局部密度設(shè)定以及生成網(wǎng)格 圖 2－ 6 局部密度設(shè)定 ①用于設(shè)定局部單元尺寸： 在模型中選定的位置改變單元尺寸。 優(yōu)先于全局尺寸。 通過選取向量或曲線上的點確 定局部單元尺寸。 通過選取邊確定曲線上的單元數(shù)目。 ②設(shè)定圓孔密度及映射（用于螺栓孔連接） ③生成網(wǎng)格 （ 5）網(wǎng)格質(zhì)量檢查 有限元計算結(jié)果的精度部分依賴于單元的質(zhì)量，每種單元都有其理想的形狀，當(dāng)模型中單元偏離理想形狀時，質(zhì)量下降，結(jié)果的不精確度增加。 ① ② ③ 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 2－ 7 網(wǎng)格質(zhì)量檢查流程圖 建立邊界條件 正確的邊界條件對任何有限元分析的都是至關(guān)重要的。在 IDEAS 軟件中進行有限元分析時，可以在模型上施加的邊界條件包括位移約束、自由度耦合、溫度、機械載荷以及兩個表面之間的接觸等等。不同分析類型中可能 采用的邊界條件類型也不盡相同。比如，非線性分析的邊界條件可以是隨時間變化的，而線性分析的邊界條件則不能依賴于時間。當(dāng)用分析類型圖標指定分析的類型后，軟件將自動限定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件類型。 （ 1）創(chuàng)建邊界條件的基本步驟 ① 選擇分析類型，比如， Linear Static（線性靜力學(xué)分析）。分析類型圖標或命令按鈕相當(dāng)于一個過濾器，一旦選定，用戶將只能看到對該分析類型有效的邊界條件選擇項。缺省分析類型是 Linear Static（線性靜力學(xué)分析）。 ② 選擇相應(yīng)的圖標菜單或命令菜單來創(chuàng)建需要的邊界條件。 ③ 點取邊界 條件施加的實體。邊界條件可以被加載到諸如邊、面、截面、頂點、以及邊和面上的任意點等幾何實體上，也可以加載有限單元實體，如節(jié)點和單元上。 ④ 往邊界條件集合中添加包含所創(chuàng)建邊界條件子集。每次所創(chuàng)建的邊界條件都被放置于一個該種邊界條件子集中，該集合可以被選入一個邊界條件集合中。一次分析使用一個邊界條件集合。 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 2）邊界條件集合 在 IDEAS 軟件中，對模型定義的約束、自由度耦合、接觸、 DOF、溫度、及載荷等邊界條件都被分別保存在一個相應(yīng)的組中，并稱之為相應(yīng)的集合。這些集合可以組合而成一個更大的集合，稱之為邊 界條件集合，相當(dāng)于工程中的一種工況。在設(shè)定分析時，可以選定一個或多個邊界條件集合（即一種或多種工況），每一個都包含了適用于分析求解之任意類型的所有邊界條件。 例如，用戶創(chuàng)建位移約束后，它們將被保存到 restraint(約束 )集合中。而一個load(載荷 )集合可以既包含集中力，又可以包含壓力。這兩個集合最終可以同時包括在一個邊界條件集合中 IDEAS 中可以創(chuàng)建六種邊界條件集合類型。下圖給出了每種邊界條件集合中可以包含的邊界條件類型。 圖 2－ 8 邊界條件集合類型 在進行分析前，用戶必須先將要創(chuàng)建的集合指 定為一個適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件集合。一個邊界條件集合是所有用于模型分析的邊界條件的集合。在設(shè)定分析時，必須用 IDEARS 模型求解器或一個外部求解器來指定一個邊界條件集合。指定到求解器中的一個邊界條件集合，必須至少含有一個邊界條件子集。 （ 3）邊界條件的施加 進行有限元分析前的一個最重要的步驟是邊界條件的加載。邊界條件可以施加到模型的幾何實體或有限元實體上。在創(chuàng)建一個 FE 模型時，可以指定“ geometrybased analysis only（僅基于幾何分析）”，然后就只能選用用于創(chuàng)建幾何模型（在 p 單元分析 和幾何優(yōu)化中所用）的命令鍵。 對于基于幾何模型建立的有限元模型，邊界條件可以施加在幾何體的邊、表面、頂點、中心點、參考點以及邊或面的位置點等等。而對于基于截面建立網(wǎng)格模型，邊界條件可以施加在線框曲線和截面上。一旦生成了有限元模型，邊界條件就可以施加到節(jié)點、單元面和單元邊等有限元實體上。 IDE