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。

   在三维建模中，首先对火箭喷管进行了造型，根据二维图纸的尺寸形状对喷管的内部支撑结构件进行了分段处理，如下面两张图：

    图4.1 某航天器尾喷管三维设计图（1）

  在对喷管的外部蒙皮进行同样的处理方式如下面两张图：

    图4.2 某航天器尾喷管三维设计图（2）

  然后对这四个零件进行组装，组装效果图如下：

    图4.3 某航天器尾喷管三维设计图（3）

  在三维造型中，相对困难的是曲面造型，尤其是自由曲面，在这次讨论中的一个零件设计到多曲面的造型，如图7所示。在造型过程中要把握各个面之间的角度关系，因为是多面体，很可能出现过度约束的情况，这样就导致无法造型。

  舵的造型中有四个相互成不同角度的平面，这就先要产生四组不同方向的八个基准平面，且每组中的两个基准面都要相互垂直，如下图：

    图4.4 在pro/E中的多曲面的情况

  最后得到的效果图如下：

    图4.5 舵的三维造型（复杂型面）

  在就是对机翼进行三维造型，同样也是利用二维图纸的尺寸形状来作为造型依据。它是一个有两个成不同角度的平面构成的，效果图如下：

    图4.6 机翼的三维造型

  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是国际上通用非常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。(e-works)