CAE的使用及发展

CAE论文题目：CAE的使用及发展CAE软件综述摘要：CAE为备受产品开发人员瞩目的软件之一,成为高品质设计中不可或缺的重要使能工具。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的T程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。CAE系统的开放性和集成性是用户的主要关注点。本文对CAD/CAE一体化技术、CAE数据信息分析及技术的应用前景都作了阐述。1概论CAE技术指工程设计中的计算机辅助工程CAE(ComputerAidedEngineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型。完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。因此，CAE系统是一个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂的系统。2CAE软件的结构与功能CAE软件的基本结构其中包含以下模块：前处理模块---给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。有限元分析模块---有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。后处理模块---有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料库所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力越强。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/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。CAE通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。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。3CAE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：3.1前处理：对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。3.2有限元分析：对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。3.3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。4CAE的发展趋势4.1扩大仿真分析的范围未来的产品设计将由产品功能主导产品外形、材料和加工工艺过程，所需的分析模拟范围将远远超出今天的范围。设计人员必须考虑应力和振动、运动学、流体力学、装配建模、可靠性分析、人的因素和加工工艺及成本等等。工程师必须能够真实地模拟产品的所有性能，结合贯穿产品生命周期的各种因素，获得对各种设计的模拟结果。CAE软件也将由单一零件的虚拟样机朝着整机虚拟样机的方向发展。多物理场耦合分析模拟———任何一个复杂的工程和产品大都是处在多物理场耦合，甚至是多相多态介质耦合状态下工作，其运行行为绝非是多个单一物理场问题，部分可能属于强非线性耦合。对于这些问题，目前尚没有成熟可靠的理论，还处于基础性前沿研究阶段，但由于其强烈的工业背景，它们已经成为国内外科学家研究的主要目标。高度集成化———包括两方面的含义。狭义上的信息集成，即实现CAE与CADCAMCAPPERP等各单元信息的集成，减少之间的数据传输与转换。这主要依靠相同平台的软件、开发一定的数据转换接口程序、基于数据库的信息处理等方式实现。广义上的“多集成”，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成。未来的趋势应该是实现技术、人和管理的集成。在技术创新上，近年来变量化技术突飞猛进，取得了一系列理论成果，如变量化造型、变量化分析、变量化装配、变量化模架库等，并已在IT领域取得了成功应用。将来，必然会扩展到分析领域。届时，实时的、随意的多方案分析过程将使CAE更加轻松自如。4.2智能化、人性化CAE作为设计分析人员进行产品研发的工具，必然务求易学好用，得心应手，而未来的大型通用CAE/CAD/CAM软件是一个多学科交叉的，综合性知识密集型产品，如何使用户更方便地使用软件，同时结合多学科多领域的知识经验来促进设计分析过程是一个不容回避的问题。因此，开发更有效的支持用户使用这些软件的专家系统显得十分必要。智能化将是CAE发展的一个必然趋势。同时，软件的工作环境应该尽可能解放使用者的头脑，开拓使用者的思路，让使用者集中精力于设计创作，这使得软件趋向于人性化，除了具备智能化的自动运算、推理判断、协助思考等功能外，还要以符合人们思维习惯的方式去判断、思考、表达与操作，以更强的用户界面提供更强的直观、直感、直觉性，更智能化地适应用户的要求。4.3网络化随着互联网的普及，宽带通信技术的突破，网络正改变着人们获取信息、共享数据和商品交易的方式，也改变着工程设计人员完成模拟仿真分析的传统方式。软件供应商们已经认识到，是否提供电子网络销售将决定他们今后的竞争力。所以软件用户将从现在的购买和安装软件逐步过渡到直接租用放在网上服务器的软件。同时，基于网络的远程计算与分析设计将得到进一步发展，异地协同设计、分析、制造将成为现实。企业的创新需求为CAE技术的发展提供了强大的动力，可以预见，随着科学技术的迅速发展和全球信息化，CAE必将取得更为巨大的成就，并继续对国民经济的发展做出重要贡献。