《36工程、力学与CAE》.pdf
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1、36 工程、力学与工程、力学与 CAE 【摘要】CAE 二十年合纵连横,阐述 CAE 集成性、 ;论述 CAE 思维;结合水电/核/航天/航空/舰船/;CAE 未来发展做进一步展望; 【关键词】CAE 有限元力学; 1 引言:从工程力学到 CAE 纵览力学六十年发展,呈一放一收两个历程。力学发展“放”的历程是呈发散性,发生于上世纪五十年代到八十年代,发育出很多新的分支,形成很多各异的理论,力学向纵深领地拓展。但专业化程度越来越高意味著研究的面越来越窄,解决专业性极强的理想(简化、忽略工程细节或粗枝大叶)问题。 “放”的进程使力学家彼此越来越远;力学发展“收”的历程发生于近二十年,以 CAE 的
2、形式体现,把各类工程往一起收,寻求在一个平台内解决,力学也随之收网,力学家愈走愈近,称之为 CAE 集成基于 CAE 统一的平台、算法,统筹调用各类资源,对工程问题形成完美的包络,给出终极解答(TOTAL SOLUTION) 。 传统力学在实践中的应用受限,源于其太提炼,太单纯。CAE 覆盖的门类更多、更全,波及的领域更宽、更广,此时没有系统的理论引导,将失之泛泛。工程师为此常感到无从下手,进退维谷,束手无策。这要求我们学会 CAE 思维,懂得其开放性、交叉性、鲜活性。 2 CAE 的开放性、交叉性、鲜活性 传统力学的封闭性,体现在它的各个分支,是封闭的。传统力学课程(理论力学/材料力学/结构
3、力学)划分,以及力学专业划分,一定程度上有其合理性,每门力学都有严格的范畴,所求的是定解 ,定向(打靶式)解决专业性强的工程问题,工程力学专家、固体力学专家、一般力学专家、流体力学专家,都是各关注各自的领域,各组织各的会议。 而 CAE 搞的是融汇,它沿着力学分解的反方向走,寻求打破学科划分的界限CAE 是开放的,海纳百川,它以工程为中心,吸纳各类资源,组织系统化分析平台,追求工程力学/一般力学/固体力学/流体力学的完美归一。 CAE 也具有交叉性。CAE 考验工程师融会贯通的能力,要求工程师审时度势,通盘考虑,统筹各类技术,把离散的知识融入有限的网格之中。 工程中的问题活,它并不是按已经划分
4、的学科类别出现;CAE 也是活的,CAE 讲求积极、主动、大胆地破解结构,灵活地组织资源,个性化地赋予载荷、边界条件。CAE 追求原滋原味、高保真,保留尺度大大优于传统力学中的简化。这和传统力学僵化、定格化做法有着质的区别,相对查表、翻手册匹配载荷/边界的做法,CAE 更像是一场“跨界”大穿越,在无垠的巨维空间里搜寻最佳搭档。 3 CAE 思维 工程中的所有力学问题,基本上手算可以求解的,都可以用 CAE 比划出来。而 CAE 的后处理结果,需要你有一定的力学基本功,方能鉴赏。这里体现了 CAE 与力学的一致性。求解工程问题时,也应该是这样,把你的思维提高到 CAE 层面,用网格的眼光来审视周
5、围的结构,感觉会不一样,思维与结构的胶着,就是模型的落点。这时的结构,有别于先前硬生生的实体,也有别于理论(弹性力学、结构力学)解析下的矩阵、方程,你会感悟真识结构之源,CAE 思维给人新的灵感启悟。 杨振宁曾说过,学英语学通了的意境,就是当你能下意识地用英语去思考的意境,同样,CAE,入境的时候,就是满眼望过去,都是白花花网格的时候。 4 CAE 二十年合纵连横 从业二十年来,我先后解决几个行业典型问题,下面进行一一简要介绍: 1992 年国内引进 CAE,哈尔滨大电机研究所装了十台 I-deas,计算转子强度时发现,软件在处理叶片和转轮的配合问题时失灵,正确的叶片载荷导致错误的转轮应力结果
6、。接触区域计算值高出实际测量值 170%以上。究其原因,在于软件给定的 GAP 单元“不好用” ,当时哈电人才济济,一部分人鉴于 CAE 软件的内核不透明,主张退回到手编Fortran程序,另有一部分北大清华元老认为有限元方法不可靠,应该一步到位退回到解析。面对如此局面,为破解接触算法,树立 CAE 的信心,下了一番苦功。 翻查 Users Guide、Users Manual 都不解决问题,接下来,我们根据软件链接的算法查 GAP 元原始英文文献,与用户手册一一对比,探索GAP 元届定的空间关系、迭代顺序、主体算法和求解脉络,并对典型问题以手工加载方式跟踪受迫节点组,一步步人工迭代,考察间隙
7、接触、接触间隙变化过程,每一步都探究到底,并实时与内核方程及前后台结果相联系。总计调取十二种典型工程问题,从低阶到高阶,由一维到二维再到空间,点接触、线接触到平面/曲面接触,综合考证,摸清接触单元的原理和内在规律。 付诸运用时,采用对角顶置技术,模型与求解器越位卡接,耦联叶片转轮动态接触与软件求解内核,顺畅仿真,取得立竿见影的实效,与水电站现场采集的实测值完美对接。当时所作的江口转轮报告作为中日水电交流会的首发技术成果,给国际电气同行很大震撼,成为中国破解水电技术的标志性里程碑。 通过转轮仿真,我们感悟,干 CAE,远远不是一拓而就的事情,仅仅靠读说明书肯定不够, 需要发挥创造性, 弄通内核原
8、理。 在解难题的时候,对软件加以必要改造软件许可二次开发,并将实际工程(过程)因素考虑进来,避开软件的盲区,才能成功,因此,更深的功夫,在工作面以外。转轮、叶片接触问题解决了,我们又去解决优化问题,动力学问题,都是遵循同样的路子, 并在接下来的时间里顺利完成十三陵、 莲花、 红石、五强溪、隔河岩、小浪底、万家寨等多部水轮机开发,援助华工完成水口转轮(科技部 863)任务。哈电后来也成为三峡项目的主力开发商,我参与了其中的前期工作,进行推力轴承相关研究。 2006 年、2011 年分别解决核电领域两个飞轮,分别是出口巴基斯坦300MW 及国产第三代 1000MW。通过日本核事故可以看出,主泵是核
9、电的心脏不断推动冷却剂为核岛反应堆降温,同时推送高温高压蒸汽入常规岛;而主泵的核心是电机(国内核主泵由沈阳水泵厂承接,主泵电机由哈电来做) ,与普通电机不同,核主泵电机挂有储能飞轮。由两大核电事故可以看出飞轮的关键性: 1984 年苏联切尔诺贝利核电站为做飞轮试验而停堆关机,由于飞轮失效而诱发事故;2011 日本福岛核灾难是因为老式电站(五十年代美国通用技术)没有这种飞轮飞轮安全技术萌生于上世纪七十年代。 海啸发生后, 由于缺乏飞轮保障, 核反应堆初始余热传不出去,链式反应的拉动,后果一发不可收拾。因此,核电 主泵飞轮是核电里安全等级要求(唯一)最高的构件。对它的要求有两方面, 既实施储能保护
10、又能在转速过高情况下自行脱落, 实现自我防护,防止高转速下自身炸裂,为此核电飞轮采用三层结构(电机轴外内衬套,再套飞轮圆盘) 、双层过盈,准确给出两个过盈量,有效模拟多层配合(其中一层为倒锥面) ,及提速下依重力的逐级脱落成为核心问题,这里涉及摩擦力、套装压力、离心力、重力等多重作用,其中套装压力涉及双层,是耦合的,当时我采用自己开发的动态过盈理论解耦多层过盈,得出两层过盈值。 之后,CAE 软件对于多层配合的耦合作用的支持性成为求解的瓶颈,支持的情况下,两层过盈量的定义方式是另一个问题,而且要求在工作站上一步步实时跟踪过盈配合(逐级)重力松脱全过程。总结软件在多过盈条件下的定义属性, 精心安
11、排, 统一建模, 分步调试, 最终水到渠成,飞轮仿真获得成功,与目标相比较,脱落转速的误差低于 0.4%;与后来取得的德国西门子(300MW/薄套) 、KSB(1000MW/厚套)设计数据比较,内外层过盈量差异小于 0.5%;电站投产后的实际运行显示,强度值吻合度超过 99%。 哈电的成果也在于人才培养,我在那里培养的二十余名 CAE 人才,后来分布到国内数个行业,数人目前在跨国公司工作。 1997 年我国航天发展正处于最低谷时期,对外,卫星发射频频失误;对内,总体技术多年徘徊裹足不前,尤其体现在两项技术上:一项是一维简化模型亟待向三维提升,突出体现在箭体局部斜率失测,传感器检到的局部响应信号
12、与箭体轴线不一致,导致控制系统发出错误指令,酿成二次发射事故;另一项,箭体随机响应分析,两项技术来源于中美火箭发射事故协调工作会,其中后者是外方每次发射卫星前必检项目,也是他们的一项保密技术,尤其引起我方重视。 当时整个航天业还从未开展过此方面研究,两个项目被列入 863 火箭复杂问题,航天业两年多没有攻下来,摸不准其原理用途,干着急拿不出响应曲线。我接手项目后的着眼点首先是一维模型与三维的对接改造,在出问题的仪器舱建立完整的空间模型,然后再行匹配,经仿真,迅速查出传感器位置过量的振动响应,与遥测回来的数据取得一致,为此提出有效的改进方案;对于随机响应,则要突破概念和理论的旧框框,落实到火箭中
13、来,其中所关注的要素、起作用的结构、力的传承及星箭耦合作用都要加以考虑,两项任务耗时三个月,顺利完成。 接手两项任务的同时,并负责规划整个运载火箭 CAD/CAE/CAM 一体化改造(917 工程) 。三项任务,兼顾基础性和前瞻性,对整个航天 CAE 技术大起底,从头搭就,使航天总体技术能力由一维上升到三维,其整条线的成功,对航天业界触动很大,成为时局扭转的枢纽,为航天后续发展打下良好铺垫。 国外将航空航天技术按难度排队, 最难的是航空发动机, 其次直升机,再次普通飞机(定翼机) ,接下去是火箭。而从单项技术看,直升机动力学处于顶尖位置, 因为涉及到复杂空间隔振, 被工程界誉为皇冠上的明珠。我
14、博士后选择的直升机项目,该项目开局相当不顺利。 接手的前两年,除了考察结构,查阅资料,从事相关试验以外,CAE领域的建树是零。纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行,大型直升机上的隔振布局与理论(包括教科书)相比真是大巫见小巫、天壤之别,它沿空间摆布开,纵横交错,峰峦叠嶂,材料、结构、机构的交配眼花缭乱,破解聚焦式隔振堪称天路,外加有别于通用机械的航空薄壁结构、复合材料,直升机整体又呈吊篮属性,其中的艰辛可想而知。多少次都是在可望不可及的境地峰回路转,撇清问题,透析机理,最终,一一打通空间隔振的三十四级隔振阵列,把握内涵脉络,顺势走出来,并一气呵成组织起整机模型。 历经两千次解算,建立起三维全真聚焦隔
15、振体系(以往国内针对海豚直九建立的隔振模型,求解效能相当于 CAE 中的 0 维度) ,可以准确仿真空间六向激励下的机体振动响应, 对结构顺势调整, 有效降低了振动水平,达到期望的 NVH 性能指标,这样就消化了法国海豚(即国产直九)直升机的聚焦隔振技术及其整机设计原理,为国内直升机发展扫除了障碍。 直升机一路仿真下来,让人才真正懂得了什么叫结构,美国也是在NASA 组织西科斯基、贝尔、波音、麦道四大家联手开拓直升机(DAMVIBS工程)后才宣示其航空航天领域的霸主地位。 我国航母工程 2005 年立项,我在哈尔滨工程大学主持航母总体设计方案,参加了最终的项目评审会(2006 年,北京) 。鉴
16、于国内没有超大型军用船舶设计经验,做的方案主要是借鉴航天总体设计的思想,将大船的载荷、强度任务分解,并提出相关的动力学及试验保障要求,在全国高等院校、船舶院所提出的四十余项方案中,该方案总排名第一。 关键技术国内采取两条腿走路策略,瓦良格舰体代表一种选择,当前可资利用的情况下,现阶段我国重点发展专项技术;航母更大、更长远的发展,还有赖于国内自主开发,有赖于总体技术的提升。 2010 年接手工程机械行业装载机结构。 国内工程机械大翻身源于近年大规模房地产开发与基础建设, 仅装载机一项, 国内目前市场份额超过 500亿。 太原科技大学、 华南理工大学、 清华大学、 重庆大学、 西南交通大学、吉林大
17、学、广西大学、天津工程机械研究所有专业的装载机研发机构。装载机 CAE 的核心是动臂、横梁(也称工作装置) ,令全行业尴尬的是,正载算得准,偏载产生一倍多的偏差,而装载机设计又主要立足于偏载。 对比美国卡特彼勒、日本小松的产品,国产机工作装置经常发生工程开裂等极端事故,作业寿命少一半以上,码头、电力等关键作业场所为此多选用进口机。2010 年夏我接手装载机 CAE,发现其 CAE 分析的主要难点在于互通的液压油缸等压连作用下的位移协调,及六联杆/八连杆机构整体载荷。为此,花费大量时间,进行基础建模、机构解析、仿真解算,并开展现场试验, 当时有一批 3 吨型号马上要出口到美国, 时间紧、 任务重
18、,终于顶着压力完成装载机一体化求解模型,其中载荷分析借用了火箭助推捆绑技术(1998 年北京完成) ,并将超静定结构仿真、机构结构一体化仿真技术发扬到极至,最终,试验值与计算值的差距达到 2%以内,破解了装载机力学难题,带领全国工程机械行业打了一场技术翻身仗。 2011 年底,涉足汽车行业,着手解决汽车 CAE 问题。半年间,完成某重点型号汽车全承载车身的建模分析,并处理载荷及解算,与现场采集的数据比对,仿真达到理想精度。下一步,将开展整车动力学及 ESP 控制方向研究。 桃李无言,下自成蹊。以上这些工作,使我国分别成为全球第二、第三、第四、第二、第三个掌握核电飞轮/大型直升机隔振/水轮机转轮
19、/装载机/火箭 3D 箭体斜率及随机响应技术的国家。目前,优化后的水轮机已累计发电 8000 亿千瓦时,核飞轮由进口到出口,神箭也多次成功载着神舟/嫦娥/天宫奔向太空。 二十年来,除解决水电/核/航天/航空/舰船/工程机械领域难题外,也先后为中电、北车、中雷达、一汽、首钢以及道桥建筑桥梁领域解决一些技术问题,这里不再一一进行叙述。 应该说,行业核心问题的求解,对于 CAE 在全行业的大规模铺陈有良好的示范和带动作用。 一方面,行业问题通常围绕主体结构,其所做的传力分析用于赋予部件载荷;另一方面,大的问题解决了,小的科研也迎刃而解;此外,在心理上,行业问题的解决,会大大提升全行业对 CAE/有限
20、元技术的信心,也有利促进 CAE 在全行业的开展;第四,攻克行业难题会明显拉升研发的层面,带来显著的经济效益;第五,求解经验会被发扬,为技术自主添上浓墨重彩的手笔。 总结成功经验,应该说,在水电领域打下较好基础是一方面:当时的哈电,人才济济,有很好的团队氛围,其间摸爬滚打 5 年,锻炼了自己各方面能力,磨练了自己的 CAE、专业外语、力学及试验技术,打下扎实的CAE 功底当时从事的二次开发,使自己后来每每遇难题时,都可以深入软件内核探个究竟,受益良多;当时也尝尽了带队的苦辛和压力;走出电气行业后,自己一点点努力,算题的领域更宽,层次更高,经验一点点累积, 自身素质获得更大更全面的提升; 加之硕
21、士、 博士选题也都围绕 CAE这个方向,因此,时间上没耽搁,精力上没分散;最后一点,置身总体部所,站在行业至高点,潜心专研、浸染,以及畅通的中外交流管道,也是保障成功的重要一环。 换一个角度看,这些行业难题先前很多人尝试过,为什么没有成功,阻断行业发展,我归结为以下几个因素: 1) 理论基础不完善: 国内缺乏成形的 CAE 理论与成熟的 CAE 技术专著,CAE 从业人员的知识落伍,力学、有限元背景支离破碎。二十年间,CAE 呈爆发式增长,但其本身缺乏严密的理论导引,发展脉络不清晰;大多数工程师匆匆上路,理论根底浅。 国内结构分析教材大多沿袭钱令希先生版结构力学,其原始蓝本源于十九世纪末二十世
22、纪初的欧洲教材,除面向土木偏窄的特点外,其内容也欠缺动力学部分,因此用现代的眼光看,是个半截子教材。百年来,结构分析的重心、范畴、方法、精度都在改变,但教材不变,使得 CAE 从业工程师的知识严重老化落伍。有限元背景不佳是另一个方面,很多工程师甚至没有学过有限元。搞行业问题需要炉火纯青的 CAE 技艺,需要实现静力学、动力学、有限元的高端衔接,否则失误在所难免,很容易做偏。 2) 工程问题没吃透: 对产品深层物理认识不清, 对核心问题的属性、 难度、 高度意识不足。搞 CAE,首先要明确为什么要算,以及算的是什么。要求工程师对产品及其工况有个通盘全面的认识,然后加以最精准的提炼和抽象,然后再行
23、组织建模。 根据我自己的经验,即便有充足的力学背景,算过很多题,解决一项行业难题,也至少需要进入行业,呆上三个月,考察设备实际作业工况,在现场提高对结构的认识,了解以往的求解过程,多方面汲取领域工程的精华营养,并在仿真的同时,做一定的试验,才能取得成功,进而拓展。 3) 人员配置不合理,载荷没给准: 需要单独组织载荷分析人员,完成拆结构、提载荷的任务,载荷计算和结构分析人员, 正常的配比是 1:1, 这方面航天和电站设备领域做得好,其本身产品(基础)理论也成型、系统。 4) 试验没跟上: 工程师拿软件算出个数很容易,这数和实际相差多大工程师心里没谱,其中很多人,甚至大学里的光测力学也没学过,因
24、此对实际结果缺乏感性认知。CAE 从简到繁,由易到难,自浅及深,试验的保障都必不可少。 5) 没抓住技术精髓,综合运用能力差: 要抓住技术精髓:要深入软件内核,抓住 CAE 技术的精髓;要抓住结构力学、弹性力学、材料力学的精髓,把它应用到 CAE 中来;要抓有限元技术的精髓,调节 CAE 算法;同样,也要抓住行业产品水轮机/核电/航空/航天/舰船/机械结构的精髓,探索 CAE 破解之道。基础倘若不牢,破解工程难题就是望梅止渴。 解决行业难题,需要工程师通十八般武艺,既能灵机一动,也能抓住一闪之念。除扎实的理论功底(力学、有限元都不能瘸腿)外,要求工程师对问题的理解、对软件的操持有一定灵活性,有
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