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CAE技术——工程应用Simulation一．CAE的基本概念1、产品设计要求（1）保证性能指标（2）保证可靠性、使用寿命（3）最大限度的降低成本2、传统的产品或工程设计计算特点（1）依据理论：材料力学、理论力学；（2）对分析对象进行简化，计算精度降低，为保证安全，过分加大安全系数，导致结构尺寸过大，材料浪费严重；第一章概述1.1CAE概述（3）串联设计：（4）研发周期长、费用高、产品性能难以保证。3、现代产品或工程设计（1）高效、高精度、低成本、节省能源和高性能；（2）依据理论：借助计算机和CAE（ComputerAidedEngineering）软件；CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性知识密集型信息产品。（3）并行设计：借助计算机和CAE软件进行；（4）研发周期短，费用相对较低，性能容易保证。4、CAE的基本概念计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具。计算机辅助工程分析方法和软件是其中的关键技术之一。借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR15周即可完成一个紧凑型家庭轿车模型的设计、验证和制造。通过使用非线性仿真软件MSC.Dytran和MSC.Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。在早期设计过程中引入CAE来指导设计决策，能有效避免产品后期出现的各种问题和缺陷，避免因重新设计而造成的时间和费用的浪费。设计人员可将主要精力置于设计，提高工程和产品质量，以保证最大的经济效益。在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。CAE是一种迅速发展的信息技术，是实现重大工程和工业产品的计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程师进行创新研究和工程师进行创新设计的、最重要的工具和手段。随着科技的发展进步，产品在趋于多样化、智能化的同时，会不可避免地趋于复杂化。对于复杂的工程，人们都希望能在产品生产以前,对设计方案进行精确的试验、分析和论证，这些工作需要借助计算机实现，就是计算机辅助工程，即CAE(ComputerAidedEngineering)。CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程，包括了工程和制造业信息化的所有方面。CAE用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计中的缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的可用性与可靠性。CAE还可以对工程设计进行分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动/动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从目前实用化的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。5、CAE软件分类CAE软件可以分为专用CAE软件和通用CAE软件两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件。从广义上说，设计人员使用自已或别人开发的小计算程序都可以认为是专用CAE软件。可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件。通用CAE软件主要指大型通用商业化软件，如NASTRAN、ADAMS、ANSYS、MARC、ADINA以及ABAQUS等。CAE软件的主体是有限元分析(FEA，FiniteElementAnalysis)软件。6、有限元分析软件有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来描述复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。只要改变单元的数目，就可以改变解的精确度，得到与真实情况无限接近的结果。基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。使用有限元分析软件进行工作时，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于模型的建立和数据输入，分析计算时间占5%左右，50%～55%用于分析结果的判读和评定。采用CAD技术来建立CAE的几何模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图。我们称这一过程为：CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE模拟和仿真零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。二.CAE的基本功能1、CAE软件的功能有限元分析可完成力学分析(线性、非线性、静态、动态)；场分析(热场、电场、磁场等)；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户需求，使通用软件专业化、属地化，并实现CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成分。它们是通过增设CAD软件，例如Pro/E、UG、Solidedge、SolidWorks、CATIA、MDT、Inventor等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。2.CAE的作用（1）增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本;（2）缩短设计和分析的循环周期;（3）CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；（4）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本;（5）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;（6）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费;（7）进行机械事故分析，查找事故原因。3.应用CAE分析的三个步骤应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程：（1）前处理：对产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。（2）分析计算：由系统自动完成。（3）后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。三．CAE技术内涵CAE技术主要包括以下三个方面的内容:(1)有限元法的主要对象是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容;(2)仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容;(3)优化设计的主要对象是结构设计参数。从运用有限元法对已设计产品的性能进行简单校核，逐步发展到对产品性能的准确预测，再到对产品工作过程的精确模拟仿真，有限元法和仿真技术发挥了重要作用，赢得了人们的普遍信赖。然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能、质量，也要降低产品的成本，缩短开发周期。最优化技术引入CAE方法，使人们从繁重的试凑工作中解脱出来，CAE技术也达到了一个新高度。在用CAE技术解决工程实际问题时，需要注意以下两点。(1)CAE工作是一项难度较大的工作。一项工作，不会因为有了三维实体模型和载荷就可以马上得出结果。实际上，有了三维实体模型以后，需要做大量的模型转换和修改工作才可能得到正确的分析模型，这项工作通常占到工作量的70%以上，产品复杂时可能需要更长的时间。(2)一般的CAE分析都基于结构材料无缺陷、不存在工艺问题这样一种假设。一个结构如果在使用中偶然出现问题，那可能是结构本身的原因，也可能是材料或工艺方面的原因，但如果问题重复出现，则一定是结构原因，必须进行CAE分析。如果材料和工艺方面存在问题，一般的CAE分析结论是不适用的，除非进行有关材料和工艺的专项CAE分析。四．CAE应用与发展1.历史与现状国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。此后有德国、英国、法国相继推出自已公司的产品。1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，多款大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己的CAE软件工业还非常弱小，在CAE市场的影响几乎可以忽略不计。2.CAE的发展经过几十年的发展，CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，并在航空，航天，机械，建筑，土木工程，爆破等领域获得了成功的应用。并随着计算机技术，CAD技术，CAPP技术，CAM技术，PDM技术和ERP技术的发展，CAE技术逐渐与他们相互渗透，向多种信息技术的集成的方向发展。当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：（1）从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题：从板、壳和实体等连续体固体力学分析，发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题(所谓“流固耦合”的问题);（2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题;（3）增强可视化的前置建模和后置数据处理功能;（4）与CAD软件的无缝集成。都开发了和著名的CAD软件(例如Pro/ENGINEER、UG、SolidEdge、和AutoCAD等)的接口。同时CAD综合型CAE工具的分析功能正逐渐加强;（5）改进CAE方法中的优化技术：引入各种优化技术，优化参数评价。具备智能的网格划分器，以解决模型在形状参数变化剧烈时出现的网格奇化问题;非线性收敛的智能控制技术对非线性优化问题是不可或缺的。3.CAE与CAD/CAMCAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。CAD/CAM技术是实现创新的关键手段，而CAE技术就是实现创新设计的最主要技术保障。目前众多的设计单位将“CAD”与“CAE分析”截然分开，由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。事实上，在理想的现代设计过程中，CAE应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。目前，为了更好地进行各工程阶段的工作，设计人员已越来越多地运用计算机辅助手段，于是产生了一系列的技术分支，如计算机辅助设计CAD(ComputerAidedDesign)、计算机