综述CAE技术的发展和应用

综述CAE技术的发展和应用引言CAE(计算机辅助工程)的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。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。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时cAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。1概论CAE技术1．1CAE技术简述CAE即计算机辅助工程是用计算机辅助求解复杂丁程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4c系统(CAD，CAE，CAPP／CAM)的重要环节。CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)和CAPP(计算机辅助工艺)等都属于计算机辅助工程(CAE)，而计算流体动力学CFD和有限元分析(FEA)等则是支撑CAE的分析工具和手段。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。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，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。1．2CAE技术发展历程CAE的理论基础有限元法：20世纪40年代起源于土木工程和航空工程中的弹性和结构分析问题的研究。它的发展可以追溯到AlexanderHrennikoff(1941)和Richardcourant(1942)的工作，他们的方法具有共同的本质特征：利用网格离散化将一个连续区域转化为一族离散的子区域，通常叫做元。HrenfIikofr的丁作离散用类似于格子的网格离散区域；Courant的方法将区域分解为有限个三角形的子区域，用于求解来源于圆柱体转矩问题的二阶椭圆偏。Courant的贡献推动了有限元的发展。1963一1964年Besseling等确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。而后，随着计算机技术的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。近10年来。有限元法的应用范围有了大幅度的提高，已由简单的弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题；分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域。将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)密切结合，形成了现在CAE技术框架。CAE软件的发展：早期的CAE软件只是计算处理特殊单一问题的简单程序。上个世纪60年代开始出现大型通用CAE软件。在此期间世界三大CAE软件公司：MSC、SDEC和ANSYS先后成立。1963年Msc公司开发了sADsAM结构分析软件。在1965年Msc参与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算结构分析方法研究，SADsAM也正式更名为Msc／NASTRAN。1967年sDRC公司成立，在1971年推出商用有限元分析软件supertab(I—DEAs)。1970年sAsI公司成立，后来重组后改为称ANSYS公司，开发了ANSYS通用有限元分析软件。20世纪70—80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件公司相继成立。如致力于发展用于高级1二程分析通用有限元程序的MARc公司；致力于机械系统仿真软件开发的MDI公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的csAR公司；致力于结构、流体、流固耦合分析的ADIND公司等等。90年代，各CAD软件开发商一方面大力发展自身CAD软件的功能．如CA，11A、SOUDw0RKs、UG都增加了基本的CAE前后处理及简单的线性、模态方面通过并购另外的cAE软件来增加其软件的cAE功能，如PK(PR0／E)对RAsAN的收购。在cAD软件商大力增强其软件cAE功能的同时，cAE分析软件也在向cAD靠拢。如MAc／NATTRAN在1994年收购了PATRAN作为自己的前后处理软件，并先后开发了与cAllA、UG等cAD软件的数据接口。ANsYs也在大力发展其软件的ANsYs前后处理功能。sDRc公司利用I—DEAs自身的cAD功能强大的优势，积极开发与别的cAD模型传输接口。先后投放了与PR0／E、UG、cArl’IA等的接口，以保证cAD，cAE的相关性。同时cAE软件也在积极扩展本身的功能。ANsYS把其产品扩展为ANsY洲EcHNIcAL。ANsYs，lS-DYNA。ANsYs，PREP0sT等多个应用软件。sDRc则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了多专项应用技术，并将有限元技术与实验技术有机地结合起来。2CAE技术在内燃机设计中的应用内燃机作为动力机械，其各项指标涉及到燃烧、排放、油耗、密封、强度、噪声等多方面内容，所以对应的分析也涉及到热力学、流动力学、动力学、疲劳分析等多个方面。而且内燃机的许多零部件，如曲柄连杆机构和配气机构的形状结构、受力，以及发动机的流动、传热传质、燃烧等工作过程十分复杂。因此建立这些零部件及整机的数学模型是十分困难的，而求解数学模型则更为闲难。另外在现代内燃机中由于对内燃机的性能和可靠性指标愈来愈高，其中的一些参数的变化趋势相互制约，参数优化空间相对变小，研发的风险加大；产品开发需要考虑的变量不断增加。系统的复杂性增大；要求缩短产品开发的周期；降低产品开发的成本和风险。为满足现代内燃机丁业的发展需要，必须对传统的“绘图+经验+发动机台架试验”的设计方法进行改进。按照现代研发的基本流程，一款内燃机的研发主要包括设计、试验、试制、投产等阶段。cAE分析主要涉及设计和试验阶段，设计和验证阶段的数字化开发可细分为概念设计阶段、布置设计阶段和详细设计阶段。每个阶段都包含了数字化设计和验证工作的并行和协同：设计工程师按照时间进度提交零部件、装配的子系统及整机的CAD设计数据；验证t程师应用CAE手段对设计部门提交的CAD数据进行包括最基本的尺寸和运动学校核、复杂的动力学分析和功能实现以及最复杂的可靠性分析等进行全方位验证。2．1概念设计阶段概念设计阶段是发动机产品开发流程中进入工程化开发过程的第一阶段，也是最重要的阶段。理论上来说，有关所开发产品的所有重大决策性问题都要在这一阶段内解决。概念设计阶段的主要工作有：对前期项目策划阶段完成的市场、法规、竞争对手和竞争机型调查研究的结果进行分析和评估，并转换为概念设计阶段的设计输入；产品设计、工艺设计、生专家们在概念设计阶段需协同进行可行性研究工作；根据产品的市场定位和仓业品牌的内涵，结合当前行业的技术发展水平等因素。确定所开发产品在性能、质量、成本等方面适当的目标水平、具体指标和规格要求；进行整机系统总体布置研究；确定产品的总体技术方案和各子系统的总体技术路线等。此阶段的cAE分析多以一维分析为主，以基本结构和基本参数为输入，在整机级和各大系统级建立虚拟样，通过cAE分析方法确定发动机的基本性能、冷却系统布置、曲轴系布置和与整车的匹配等。此阶段的cAE分析任务有：内燃机气体交换过程模拟，此类分析软件主要有GT—Power和AVL-B00st等。内燃机热动力学分析和整机性能预测．在气体交换的基础上增加发动机缸内燃烧过程的仿真分析，预测发动机的总体性能，如功率、扭矩和燃油消耗率等。然后反过来确定进气系统、排气系统、由缸盖、缸体和活塞组成的燃烧系统等子系统的主要参数和技术方案。内燃机冷却系统一维cFD分析．此类分析软件有cT-C砌等。内燃机润滑系统一维cFD分析，此类分析软件有f'10wM艄ter等。装备该内燃机的整车的基本性能仿真分析，该类分析软件主要有AVL—Cmise和GT—Drive等。2．2布置设计阶段：布置设计阶段主要是确定各主要零部件的尺寸和和相互之间的关系及接口，进一步对概念设计阶段确定的技术方案进行细化。此阶段的cAD设计工作主要是根据概念设计阶段的cAE仿真结果建立内燃机各大子系统的表面模型，确定和建立各大子系统之间的装配关系和模型等。CAE仿真分析则需要对所有的概念设计阶段的分析模型进行更新，使之更加具体和复杂，仿真的输出结果也更加详细和准确。同时。增加新的一些cAE仿真分析内容和领域，涉及动力学、有限元、cFD分析等，如应用MsC．ADAMs等行业常用的专业软件建立分析模型，首先埘前端轮系和配气机构子系统的布置设计结果进行各运动零部件之间的装配和运动学关系进行检查和校核．然后开始动力学分析。缸盖、缸体、曲轴、凸轮轴和连杆五大主要零部件的有限元分析，常用的分析软件有Hyperworks、NAsTRAN、ABAQus、AVL—ExCl7I等。2．3详细设计阶段：详细设计阶段，数字化开发范围将覆盖所有新设计零部件的全部特性，包括如详细的尺寸、尺寸和几何公差、设计基准、表面粗糙度、热处理和材料技术条件等，在详细设计阶段结束时将保证每一个零部件的cAD设计数据(包括i维实体设计数据和二维平面设计数据)将能具体指导工厂的生产制造，因此，cAD设计的工作量急剧增长，成为详细设计阶段的主要1二作。同时，在详细设计阶段将应用CAE分析手段对所有新设计零部件的CAD设计进行分析和验证，以确保在数字化开发阶段解决每个新设计的零部件以及从零部件到各子系统、最后到整机的每个层次都不存在问题。此阶段，CAE分析的首要任务是对前两个阶段所有的分析模型根据详细设计阶段能够获得的最全面的设计信息进行最后的更新和拓展，进一步更准确地验证各零部件、系统和整机的功能和特性。比如在概念设计和布置设计阶段进行的发动机气体交换一维cFD分析的基础上将进一步拓展和更新到进行一维或三维的进排气噪声分析，进排气系统和发动机缸内流动的=三维cFD分析。目的是从三维角度考察发动机的气体交换过程和流体在发动机缸内的流动过程，保证发动机各缸进排气的均匀度和发动机缸内流动的最佳化，以及在保证发动机性能设计指标的前提下尽量降低发动机的进排气噪声。在详细设计阶段所有零部件和子系统新的CAD设计都必须经CAE仿真分析验证，确保任何设计问题解决后，开发流程才能进入样机制造和验证阶段。2．4试验验证阶段试验验证阶段按照开发流程，当设计完成后，就根据设计图纸制作样机并进行组装，然后按照相关试验方法对样机的性能进行考核，并不断优化。此阶段的cAE分析多以辅助试验为主，针对试验中出现的问题，查找原因，并提出优化建议。2．5应用软件汇集计算程序一般分为三类：大型通用程序、专用程序和自编程序。所谓通用程序，它的特点就是“通用性”。通用有限元程序(如NASTRAN、ANsYs、HYPERw0Rl(s等)一般都能提供与cAD软件(如P”D，Engineer、uG、cAllA等)的接口，将CAD模型自动转换为适于有限元分析的模型。内燃机以计算机仿真为手段的工程分析技术，主要内容包括有限元分析法、边界元法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁场分析等，其中有限元分析应用最广泛。内燃机研发一般都使用专业的有限元分析(FEA)商业软件，目前世界上大型的结构分析软件主要有：ABAQus、ANsYS、Msc．、Msc．Marc等。AVL、Ricardo、FEv等世界著名的发动机研发机构都开发了专业的发动机模拟软件。其中AVL公司的系列软件包括：F1RE一发动机计算流体动力学cFD软件、BOOST一发动机热力循环分析软件、ExcITE一发动机动力学和声学计算软件、EXCIrI'E—de8i期e一曲轴组件的设