CAE总体介绍,概述.
业务指导书
（CAE分册）
主编：
编委：
目录
第1节_CAE范围及基本知识简介
第2节了解计算中常用的标准及软件
第3节CAE在产品研发流程各阶段的主要工作
第4节_CAE设计经验汇总
第5节计算中难点知识介绍
第6节必备资料
第1节CAE范围及基本知识简介1.1业务范围
CAE 分析目的就是为机车产品的研制提供参考和指导，缩短相关产品的研
制周期，降低产品成本，提高产品质量。
CAE 工作主要是应用专业分析软件（ANSYS ，FE-SAFE ，I-DEAS ），对机车
零部件进行结构分析、热分析、接触分析、模态分析、优化分析、拓扑优化、疲劳分析。
目前机车主要有这些重要零部件需要分析计算：机车各型柴油机的机体、
曲轴、活塞、整体安装架的分析计算，机车转向架构架的分析计算，机车车体结构的分析计算，机车车轴的分析计算等。（具体涉及到的产品见下图）
图1：某车体计算图片 图2：某柴油机机体计算图片
图3：某转向架构架计算图片 图4：某柴油机活塞耦合场计算图片
图5：某安装架工作时垂向变形图 图6：某车轴工作时垂向变形图
图7：某曲轴第4曲柄在工况1时的应力云图
1.2 基本知识简介
CAE工作简介
提出、开发、掌握先进的CAE分析技术，为设计准备和提供必须的设计分析手段与技术。
对设计师在工作中进行CAE分析技术支持、指导、培训，以提高设计师的CAE应用水平。
对外负责进行CAE技术的交流、合作、可行性研究，了解和收集CAE技术的新理论、新方法、新标准。
机车重大产品设计项目中的分析计算工作，负责产品设计方案的对比分析和优化分析，指导并优化产品设计。
负责机车原有产品或零件的校核计算工作，为查找事故原因或进行改进设计提供指导。
参与机车零部件委外计算分析工作，主要负责审核计算分析合同的技术条款和计算分析报告的合理性。
熟悉机车相关产品的结构性能、计算标准，研究并确定计算实施方案。
学习相关业务知识和相关法规，以保证CAE工作的时效性。
我们在做CAE分析的时候必须抱有一定目的。根据设计要求，确定计算分
析目的。用一个简单案例对CAE工作进行示意：
在进行有限元分析时，象这样的目的，在事前就须弄明确。即：
第2节了解计算中常用的标准及软件
机车研发部现有CAE专业分析软件主要有：ANSYS，FE-SAFE，I-DEAS 以及ADAMS。
图8：各种软件主要功能
常用标准：
GB3314-82《内燃机车通用技术条件》
TB/T2541-1995《内燃、电力机车车体静强度试验方法》
GB3314-82《内燃机车通用技术条件》
TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》
GB5599-85、TB/T2395-93《机车车轴设计与强度计算方法》
第3节CAE在产品研发流程各阶段的
主要工作
从下面的2个流程图可看出，CAE与设计是互动的，CAE工作贯穿于整个研发流程。
CAD概念设计阶段，CAE工作开始进行粗计算（提供可行性报告）；
CAD设计初期，CAE进行方案优化计算（提供优化设计方案报告）；
CAD设计后期，CAE进行设计校核计算（提供确认报告）。
CAE与CAD一起构成产品研发内核。
图9：机车产品的研发设计流程
图10： CAE在研发中具体应用流程图
一个CAE计算项目流程主要分为三大模块：前处理，求解，后处理。这三个模块涉及到的具体工作如下图：
图11：一个计算项目涉及到的具体流程
由图11看出，一个计算项目，大部分工作都在前处理的模型工作中，一个
CAE 工程师首先必须做三维建模工作，建模具体流程字面描述不容易说清楚，
特做了一个简单建模案例动画示意：自上而下建模.avi ；另再举一个简单平面静力分析案例动画示意：平面问题静力分析.avi 。
第4节CAE设计经验汇总
CAE很讲究工程背景以及工作经验，软件，硬件都只是手段，人的经验，方法以及技巧都必须靠个人平时积累，以下为近年来的经验积累以供大家学习参考：
1.在求解初始化前，应进行分析数据检查，主要包括下面内容:
?统一的单位
?单元类型和选项
?材料性质参数:考虑惯性时应输入材料密度；热应力分析时应输入材料的热膨胀系数
?实常数 (单元特性)
?单元实常数和材料类型的设置
?实体模型的质量特性 (Preprocessor > Operate > Calc Geom Items) ?模型中不应存在的缝隙?壳单元的法向
?节点坐标系
?集中、体积载荷
?面力方向
?温度场的分布和范围?热膨胀分析的参考温度 (与 ALPX 材料特性是否协调?)
2. 在求解过程中，应将OUTPUT窗口提到最前面。 ANSYS 求解过程中的一系列信息都将显示在此窗口中，主要信息包括:
i.?模型的质量特性-模型质量是精确的 - 质心和质量矩的值有一定
误差。
ii.?单元矩阵系数- 当单元矩阵系数最大/最小值的比率 > 1.0E8时将预示模型中的材料性质、实常数或几何模型可能存在问题。当比
值过高时，求解可能中途退出。
iii.?模型尺寸和求解统计信息。?汇总文件和大小。
3. 没有获得结果的原因是什么? 往往是求解输入的模型不完整或存在错误，典型原因有:
iv.?约束不够! (通常出现的问题)。
v.?当模型中有非线性单元 (如缝隙 gaps、滑块sliders、铰hinges、索cables等），整体或部分结构出现崩溃或“松脱”。
vi.?材料性质参数有负值, 如密度或瞬态热分析时的比热值。?未约束铰接结构，如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。
?屈曲 - 当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲。4.?在任一方向，支反力总和必等于在此方向的载荷总和。
?节点反力列表:
?Main Menu: General Postprocessor > List Results > Reaction Solution...
5.?由于网格密度影响分析结果的精度，因此有必要验证网格的精度是否足
够。?有三种方法进行网格精度检查：
?观察（ Visual inspection ）
?误差估计
?将网格加密一倍，重新求解并比较两者结果。注意: 有些情况下这种做法不适用。
6. 误差估计只在进入后处理前PowerGraphics 被关闭的情况下进行。 (如果进入后处理后关闭 PowerGraphics则ANSYS将重新计算误差因子。) “节点结果”（nodal solution）画出的是在节点处导出量的平均值，而“单元结果”（ element solution ）画出非平均量。
7. 在弹性模量不同的材料交界处，应力分量会不连续。(PowerGraphics自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。),在不同厚度的壳单元的交界处，大多数应力会不连续。(PowerGraphics 自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。), 在壳单元构成的尖角或连接处，某些应力分量不连续。9. 在应力奇异处:.单元网格越是细化，越引起计算应力无限增加，并且不再收敛。
8. 打开智能网格并不影响映射网格的划分，映射网格仍然使用缺省尺寸。11. 注意：在进行模态分析时，非线性特性如塑性和接触单元被忽略。模态分析得
到的应力大小是任意的
9. 当你需要把几何模型的单位转换成另一套单位，比如说，从英寸到毫米，
比例缩放就显得十分必要。Main Menu > Preprocessor > Operate > Scale > Volumes
10. 如果激励频率小于结构最低阶固有频率的1/3，则可以进行静力分析。在
应力奇异点处网格越细化，应力值也随之增加且不收敛.当您选择了单元类型，您就选择并接受了相应单元类型的单元形函数。所以在您选择单元类型之前应
查看单元形函数信息。14. 静态和瞬态处理的主要不同是在瞬态过程分析中要激活时间积分效应因此在瞬态过程分析中时间总是表示实际的时序。
11. 使用严格的收敛准则将提高你的结果的精度，但以多更次的平衡迭代为代价。如果你想严格加放松你的准则，你应当改变TOLER（缺省是0.001）两个数量级，一般地你应当继续使用VALUE的缺省值，也就是通过调整TOLER而不是VALUL 改变收敛准则，你应当确保MINREF=1.0的缺省值在你的分析范围内有
意义。
12. 由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ANSYS程序中假定它们相同。在应力一应变的曲线中低于屈服点的叫作弹性部分，超过屈服点的叫作塑性部
分，也叫作应变强化部分。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。
缓慢加载应该保证在一个时间步内最大的塑性应变增量小于5%，一般来说如果Fy是系统刚开始屈服时的载荷，那么在塑性范围内的载荷增量应近似为0.05*Fy (对用面力或集中力加载的情况 )；Fy（对用位移加载的情况）。
13. 大应变分析的任何迭代中低劣的单元形状，也就是大的纵横比、过度的顶角以及具有负面积的已扭曲单元将是有害的。ANSYS程序对于求解中遇到的低
劣单元形状不发出任何警告，必须进行人工检查。
14. 主应力因为是矢量，如果用矢量图来显示，就能容易掌握应力的流向。
15. 在设计时用分析求出应力，并确认有没有产生大于许容应力，如果有就根据小于许容应力的状态变更结构或者选择相应的材料。此时选用那一种应力用
于判断，这是与设计本身所用的方法有关系的，这一点很重要。
不可单纯地仅仅依赖软件，要把自己的经验、公式和实验或材料试验进行对比，并根据文献等等的资料与设计方法相比，要向高水平的方向进行发展，这一点尤为重要。
16. 不可单纯地仅仅依赖软件，要把自己的经验、公式和实验或材料试验进行对比，并根据文献等等的资料与设计方法相比，要向高水平的方向进行发展，这一点尤为重要。
17. 接触问题汇总
点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为，为了使用点─点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况。
点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面生成多个单元，那么可以通过点─面的接触单元来模拟面─面的接触问题。面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。使用这类接触单元不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。
对使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对，使用
Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对。
注意不能使用镜面对称技术（ARSYSM，LSYMM）来映射圆、圆柱、圆锥或球面到对称平面的另一边，因为每个实常数的设置不能同时赋给多个基本原型段。
目标面的结点号顺序是重要的，因为它定义了接触主向。对2─D接触问题当沿着目标线从第一个结点移向第二个结点时变形体的接触单元必须位于目标面的右边，对3─D接触问题目标三角形单元号应该使刚性面的外法线方向指向接触面，外法线通过右手原则来定义。
每个接触对的接触面和目标面必须有相同的实常数号，而每个接触对必须有它自己不同的实常数号。
所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间渗量的大小取决于接触刚度，过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态而造成收敛困难，一般应
该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性。
车体设计计算分析经验
以下为综合公司多个车体计算以及其它公司相关计算资料归纳总结出一些经验：
基本上所有车体计算重点考察垂直静载工况（为车架预挠，车架刚度设计提供重要参考），
在垂直静载工况下，计算时应注意的地方：①对于车架承载来说，车架中部（柴油机梁局部）容易造成应力集中（该处应力大主要是由于数值极大的柴油机载荷引起），其车架刚度是否满足设计要求，车架预挠是否满足设计要求。②对于车体整体承载来说，侧墙，顶盖刚度有突变的地方，这些局部位置的应力是否满足设计要求，其车架刚度是否满足设计要求，车架预挠是否满足设计要求。
压缩工况，拉伸工况为特殊危险工况，基本上所有车体静强度计算，这2种工况的最大应力一般都很接近，或超过许用应力，为此设计应注意这些局部部位：牵引梁下盖板圆弧区如图14（该处过渡圆弧半径应尽可能大）；司机室侧窗上角，下角如图12（该处过渡圆弧半径应尽可能大）；旁承梁下盖板旁承孔过渡圆弧如图13（该处过渡圆弧半径应尽可能大），后从板座应尽量做成箱型结构如图14。
图12 6500机车某一方案的车体计算结果图13 6500机车某一方案的车体计算结果Array图14 牵引梁结构示意图
转向架构架计算经验汇总
以下为综合公司多个构架计算以及其它公司相关计算资料归纳总结出一些
经验：
构架钢结构大多为板梁结构，基本采用焊接的方式连接。随着机车越来越
追求轻量化，高速，重载设计，这给机车钢结构的设计带来新的挑战，其疲劳
强度也必将越来越被关注。
结构疲劳破坏的主要原因是局部应力集中。首先，结构设计不合理可能导
致应力集中，在静态载荷下应力水平较大部位、静应力水平虽小但动应力较大
的部位、以及结构复杂部位是裂纹多发区域。在这些区域上设计焊缝，焊缝接头形式设计不合理以及焊接残余应力加剧了应力集中。这些受力件上焊有各种结构件和连接件（角板、连接板、肋等），焊缝本身不传力，但由于受力件的截面发生了急剧变化，在被连接件的边缘产生了应力集中，疲劳强度急剧下降。为提高疲劳寿命，在设计分析时应注意：
⑴尽量保证构架上的作用力均匀分布，避免不必要的应力集中；
⑵受力大的部位和拉应力区，尽量不布置焊缝，对不可避免的焊缝应尽量布置在低应力区或受压应力区；
⑶拉应力区的角焊缝应设计成双角焊缝或单边V型焊透焊缝，压应力区的焊缝设计成单边V型焊缝；
⑷对截面变化较大的部位应采取较大的过渡半径，去除棱边和沟槽等，避免急剧的截面过渡；
⑸侧梁、横梁设计时，应尽量减少焊缝，上、下盖板对接等焊缝，应采用为全焊透焊缝，并要注明焊缝的探伤方法和标准；
⑹当不同板厚进行对接接头设计时，应对厚板部分进行削平处理，并对焊缝进行打磨处理，使焊接处圆滑过渡；
⑺构架主要焊缝的表面质量要保证，要通过优化焊接工艺和焊后焊缝表面处理工艺，改善焊缝表面的几何形状，减少焊缝表面的应力集中和表面缺陷；
⑻提高构架的焊缝质量，消除焊缝表面和内在的缺陷。
治理应力集中不应是简单地降低应力水平，而是协调刚度，应力集中是现象，刚度不协调是本质。
静强度计算中，有安全系数的说法，对于疲劳强度而言，疲劳的寿命设计是对基于安全系数/动荷系数设计原则的挑战：安全系数设计的理念是静强度校核，完全不适用于疲劳设计。一个零件不同部位应该有不同的动荷系数，一个结构不同子结构也应该有不同的动荷系数，用一个动载荷放大系数考虑结构体系每一构件的动载荷影响是不科学的、保守的。
基于安全系数/动荷系数的设计未必是安全的，多用材料的设计也未必是安全的，应力集中处静强度局部补强未必能提高疲劳寿命，甚至恰恰相反。
降低应力集中是提高疲劳寿命的基本出发点。结构设计是否导致承力焊缝应力集中？有限元分析可以给出一个基本的全局的宏观的判断；
布置焊缝时，必须要考虑承力方向；局部补强时，尤其是注意刚度协调。刚度不协调是导致应力集中的宏观因素。
第5节 计算中难点知识介绍
结合公司现有产品计算现状，动力计算是我们目前的难点，虽然到现在为
止，我们的计算项目涉及到动力学计算相对较少，但随着机车产品要求越来越高，动力学计算迟早会提上日程。动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。 “动力学特性” 可能指的是下面的一种或几种类型:
–振动特性 - （结构振动方式和振动频率）。
–随时间变化载荷的效应（例如：对结构位移和应力的效应）。
–周期（振动）或随机载荷的效应。
通用运动方程如下： 不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解：模态分析：设定F （t ）为
零 ，而矩阵 [C] 通常被忽略；谐响应分析：假设F （t ） 和 u （t ） 都为谐函数，例如 Xsin （ωt ），其中，X 是振幅，ω是单位为弧度/秒的频率；瞬间动态分析：方程保持上述的形式。
动力学计算中几何形状和网格划分许注意的问题:
一般同于静态分析要考虑的问题。
要包括能充分描绘模型几何形状所必须的详细资料。
在关心应力结果的区域应进行详细的网格划分，在仅关心位移结果的时候，
粗糙的网格划分可能就足够了。下面主要对我公司产品可能涉及到的动力学应用进行简要介绍以及在计算中应注意的问题：
5.1 模态分析
模态分析最频繁被应用于我们公司现有产品中，模态分析是所有动力学分
析类型的最基础的内容。它是用来确定结构的振动特性的一种技术：自然频
率，振型，振型参与系数 （即在特定方向上某个振型在多大程度上 参与了振动）。
模态分析的好处：
使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）；
[]{}[]{}[]{}(){}t F u K u C u
M =++
使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；
有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。
建议：由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。
模态分析中的四个主要步骤：建模；选择分析类型和分析选项；施加边界条件并求解；评价结果。
建模须注意：必须定义密度，只能使用线性单元和线性材料，非线性性质将被忽略。
模态提取选项：
?方法：建议对大多数情况使用Block Lanczos 法
?振型数目：必须指定（缩减法除外）
?频率范围：缺省为全部，但可以限定于某个范围内（FREQB to FREQE）
?振型归一化：将于后面讨论
处理约束方程：主要用于对称循环模态中。
16 车体优化结构的一阶扭转振型图
（自振频率为3.779Hz）
瞬态动力分析：它是确定随时间变化载荷作用下结构响应的技术；
?输入数据：作为时间函数的载荷
?输出数据：随时间变化的位移和其它的导出量，如：应力和应变。用于瞬态动力分析的运动方程和通用运动方程相同；
这是瞬态分析的最一般形式，载荷可为时间的任意函数；
?求解时即可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵；
?缩减矩阵：
–用于快速求解；
–根据主自由度写出[K]，[C]，[M]等矩阵，主自由度是完全自由度的子集；–缩减的[K]是精确的，但缩减的[C]和[M]是近似的。
?完整矩阵：
–不进行缩减。采用完整的[K]，[C]，和[M]矩阵；分时间步长（亦称为ITS或Dt）是时间积分法中的一个重要概念
–ITS=从一个时间点到另一个时间点的时间增量Dt；
–积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔细选取。
?IT应足够小以获取下列数据：响应频率，载荷突变，接触频率（如果存在的话），波传播效应（若存在）
响应频率