Реферат на тему Метод конечных элементов для расчета на прочность в программах CAD, CAM, CAE

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ 3
1. CAM, CAD И CAE СИСТЕМЫ: ФУНКЦИОНАЛ И СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ 4
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА РАБОТЫ ДВС 9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 16
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 17

Введение:

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС – это наиболее распространённый тип двигателя, который можно встретить на автомобилях. Двигатель внутреннего сгорания – это вид теплового двигателя, в котором преобразовывается часть химической энергии, получаемой при сгорании топлива, в механическую, приводящую механизмы в движение. Одним из ключевых вопросов, решаемых при проектировании ДВС является вопрос проверки его агрегатов на прочность и надежность. Современные технологии, в частности программные решения, относящиеся к CAD, CAM, CAE системам.
В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) является одним из наиболее распространенных методов решения краевых задач в CAD, CAM, CAE системах. В математическом отношении этот метод относится к группе вариационноразностных. Начав развиваться как метод решения задач строительной механики, МКЭ стал широко применяться при проектировании самолетов и автомобилей, тепловых и электродвигателей, турбин, теплообменных аппаратов и др.
Сегодня при реализации МКЭ применяется большое количество типов конечных элементов, позволяющих получить точную дискретизацию практически любой плоской, осесимметричной или трехмерной области. Вид этих элементов определяет степень аппроксимирующих полиномов и, следовательно, точность получаемого решения.
Цель работы – рассмотрение особенностей использования метода конечных элементов для расчета двигателя внутреннего сгорания на прочность в различных системах компьютерного моделирования.

Заключение:

Таким образом, можно сделать ряд выводов:
1) Метод конечных элементов (МКЭ) представляет собой численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. Метод нашел широкое распространение при решении задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики.
2) В процессе анализа прочностных характеристик двигателей внутреннего сгорания использование метод конечных элементов конструкции двигателя с построением их модели в CAE-системах является достаточно эффектным на данный момент.
3) Одной из наиболее эффективных CAE-систем для расчета прочностных показателей двигателей внутреннего сгорания является решение компании ANSYS, создавшей пакет программ для компьютерного инженерного анализа проектов методом конечных элементов, который охватывает многие направления расчетного обоснования (механика, гидродинамика, электротехника, электроника и т.д.) и может выполнять многодисциплинарные расчеты. Модуль ANSYS Static Structural предназначен для решения задач механики деформируемого твердого тела в статической постановке. При использовании командных вставок на языке APDL функционал модуля может быть расширен для решения, например, связанных задач (термоупругость, пороупругость, электроупругость и т. д.). ANSYS Transient Structural – модуль для решения задач динамики конструкций. Основан на неявных схемах интегрирования уравнений движения. Explicit Dynamics/AUTODYN/LS-DYNA – модули, основанные на явных решателях для расчета задач динамики конструкций и моделирования быстропротекающих нелинейных процессов: высокоскоростных ударов, пробитий, фрагментации, разрушения и т.д.

Фрагмент текста работы:

1. CAM, CAD И CAE СИСТЕМЫ: ФУНКЦИОНАЛ И СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ
Платформы CAD и CAM помогают при работе с чертежами, графиками и списками, связанными со строительством и дизайном-проектированием. Разработка в электронном виде позволяет делать правки, которые не отразятся на макете, ведь при печати будет виден лишь последний вариант. Плюсом является повышение продуктивности, ведь пока происходит автоматизированная работа, человек может выполнять следующий этап, ускоряя время выполнения задачи. Качество разработанных графиков, документов и моделей высокое, поскольку процесс машинального выполнения не раз совершенствовался опытными специалистами.
Преимуществом CAD является уменьшение себестоимости производства. Если средства, затраченные на выполнение плана, остаются, то они уходят в пользу компании, ее работников и на закупку новейших версий продукции. По окончанию разработки объемной модели, платформа выдает перечень материалов, из которых изготовление было бы выгоднее и удобнее. Ноутбук или ПК могут находиться в любой точке мира, однако процесс производства не будет зависеть от геолокации.
Современные CAD системы – это совокупность мощностей, которые осуществляют исполнение основных задач инженерии и дизайна. В них входят :
• Создание трехмерных (объемных) моделей.
• Разработка чертежей и графиков по алгоритмам, внесенным в базу.
• Составление документации по стандартной схеме, где происходит выявление характеристик по объектам.
Благодаря САПРу оптимизируется работа во многих фундаментальных направлениях, повышающих уровень жизни. Например, в архитектуре и строительстве приложения такого типа подходят для планирования и детализации внешнего и внутреннего вида зданий. Типовые постройки сдаются быстрее заявленного срока, ведь разработки готовы заранее. Для большинства компаний, чья работа зависит от массивных чертежей и шаблонов, регламентировано наличие CAD для каждого уполномоченного сотрудника.
В каждый тип CAD систем включается набор задач, выполнение которых ускоряет работу человека определенного рода занятий. САПР разрабатывают программисты совместно со специалистами разных областей, на которые рассчитаны узкопрофильные версии приложения. Существует несколько типов таких систем, и разнообразие CAD программ помогает ответить на вопрос о том, что это такое:
• Для математиков и строителей подходят платформы, в которых автоматически происходит геометрическое моделирование. Можно настроить функцию 3D Modeling, если решение задачи этого требует. Для этих же специалистов существует усложненная программа с большим набором автоматизации. Двухмерное и трехмерное проектирование может быть подкреплено документацией, данные по которой берутся из характеристик объектов.
• Для архитекторов, дизайнеров и инженеров разработано создание чертежей и дальнейшее проектирование по ним.
• Существует возможность сохранения и печати электронного шаблона на бумаге любого размера.
• Для программистов созданы средства CAE, облегчающие анализ ПО и устранение неполадок в работе операционной системы.
• Для технологов существует специальный набор настроек CAD и САПР, позволяющий контролировать технологическую подготовку процесса производства тех или иных продуктов. Программа автоматически составляет отчет, куда включается процентное соотношение ошибок и успешно выполненных норм.
В машиностроении из всех существующих CAD программных решений наибольшее распространение получила система автоматизированного проектирования NX.
NX комбинирует в единой CAD-системе разные виды моделирования: проволочное, поверхностное, твердотельное, параметрическое и прямое. Это позволяет выбирать оптимальный инструмент для текущей задачи. Геометрическое моделирование с NX становится быстрым и интуитивным: у пользователей могут изменять трехмерную геометрию, не применяя сложных инструментов и действий. Для большей гибкости в NX предусмотрена синхронная технология, обеспечивающая совместимость с форматами сторонних CAD-систем и позволяющая пользователям легко взаимодействовать с другими специалистами, а также редактировать данные из других CAD-систем – так же, как данные NX.
Технология NX позволяет объединять в одной модели обычные твердотельные тела и тела, полученные методом сканирования. Конвергентное моделирование позволяет осуществлять прямую работу с импортированными данными со сканера, без их предварительной подготовки. Технология может применяться как в промышленности, так и в других отраслях.
Надстройка NX Realize Shape позволяет создавать формы путем прямого воздействия на геометрический примитив. Конструктор или дизайнер может создавать сложные и совершенные геометрические модели, не обладая специальными знаниями и навыками. Процесс моделирования в NX Realize Shape максимально приближен к работе с пластическими материалами.
CAE-системами называют программы и программные пакеты, которые предназначены для всевозможных задач инженерного характера: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов, в большинстве своем, базируется на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объёмов и пр.). Современные системы инженерного анализа CAE используются в комплексе с CAD-системами, которые часто интегрируются в них. В подобных ситуациях получаются гибридные CAD/CAE-системы. CAE решения дают возможность при помощи расчётных методов оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, подобные системы помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств.
Области применения CAE-систем :
• задачи гидрогазодинамики;
• задачи механики твердого тела;
• задачи радиоэлектроники и электромеханики;
• междисциплинарные расчеты;
• моделирование технологий производства изделий (литье, сварка, термическая обработка, обработка металлов давлением, производство композиционных изделий).
В области металлообработки с помощью CAE-систем можно с легкостью провести анализ режущего инструмента, заранее увидеть его деформацию возникающей при обработке детали, также его колебания и т.д. На базе подобного анализа возможно проектирование наиболее оптимальной конструкции инструмента, кроме того возможно и назначение рациональных режимов резания, которые создадут нормальные условия обработки и обеспечат высокое качество обрабатываемых деталей.
Только такой подход к проектированию режущих инструментов может наиболее быстро создать правильную геометрию инструмента, обеспечивающей максимально производительную обработку деталей. Это возможно потому, что результат работы инструмента можно увидеть заранее, до его изготовления и внедрения, что значительно экономит время и многие другие затраты. Только использование CAE-систем делает возможным создание действительно качественного, прогрессивного инструмента.
В сфере станкостроения посредством анализа станины станка и прочих его узлов можно придать максимальную жесткость станку в целом, что может обеспечить уменьшение вибрации станка и возможность выполнения на нем высокопроизводительной обработки деталей.
В сварочном производстве CAE-системы являются незаменимыми помощниками в процессе проектирования сварных металлоконструкций. Расчет сварных швов представляет собой обязательный этап проектирования, который обеспечивает высокий уровень надежности работы будущей конструкции.
В ряде других направлений машиностроения CAE-системы играют также важнейшую роль, без них невозможно добиться создания высококачественных и конкурентоспособных изделий.