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CAE

CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程,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,把工程(生产)的各个环节有机地组织起来,其关键就是将有关的信息集成,使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。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。

CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、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。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天,已经历了50多年的发展历史,其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程,现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具,同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。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。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。此时得到的基本方程是一个代数方程组,而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解,其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。针对这种情况,表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图,我们称这一过程为CAE的后处理。计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技术的提出就是要把工程(生产)的各个环节有机地组织起来,其关键就是将有关的信息集成,使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。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。

随着计算机技术及应用的迅速发展,特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现,使计算机图形学(Computer Graphics,CG)、计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)与计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)等新技术得以十分迅猛的发展。CAD、CAM已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用,成为最具有生产潜力的工具,展示了光明的前景,取得了巨大的经济效益。

计算机技术的迅速发展还推动了现代企业管理的发展,企业管理借助于管理信息系统的支持与帮助,利用信息控制国民经济部门或企业的活动,做出科学的决策或调度,从而提高管理水平与效益。企业生产经营活动的各个环节,从工程的立项、签约、设计、施工(生产),一直到交工(交货),是一个连续的过程,有机的整体.

从广义上说,计算机辅助工程包括很多,从字面上讲,它可以包括工程和制造业信息化的所有方面,但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析,对其未来的工作状态和运行行为进行模拟,及早发现设计缺陷,并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。这里主要是指CAE软件 。

CAE软件可以分为两类: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;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。CAE软件的主体是有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)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表示复杂的对象,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。这种方法灵活性很大,只要改变单元的数目,就可以使解的精确度改变,得到与真实情况无限接近的解 。

基于有限元方法的CAE系统,其核心思想是结构的离散化。根据经验,CAE各阶段所用的时间为:40%~45%用于模型的建立和数据输入,50%~55%用于分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右 。

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,我们称这一过程为:CAE的后处理。针对不同的应用,也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态 。

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:

前处理: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: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: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 。

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 。

CAE的作用 a)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 ;

b)缩短设计和分析的循环周期 ;c)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 ;

d)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 ;

e)在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题 ;

f)模拟各种试验方案,减少试验时间和经费 ;

g)进行机械事故分析,查找事故原因 。

国际上早20世纪在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。此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品 。

1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功,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。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进中国,在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。中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,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,中国自己的CAE软件工业还非常弱小,仅占有很少量的市场份额 。

20世纪60-70年代,有限元技术主要针对结构分析进行发展,以解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。世界上CAE的三大公司先后成立,致力于大型商用CAE软件的研究与开发 。
  1963年MSC公司成立,开发称之为SADSAM (Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods)结构分析软件。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,其程序SADSAM更名为MSC/ Nastran 。
  1967年Structral Dynamics Research Corporation(SDRC)公司成立,并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包,1971年推出商用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS) 。
  1970年Swanson Analysis System,Inc.(SASI)公司成立,后来重组后改为称ANSYS公司,开发了ANSYS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工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、流体及流固耦合分析的ADIND公司等等 。
  在这个时期,有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场(如温度场、电磁场、声波场等)的分析,从线性分析向非线性分析(如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展,从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配,使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。从软件结构和技术来说,这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法,采用FORTRAN语言开发的结构化软件,其数据管理技术尚存在一定的缺陷,运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站 。
  进入20世纪90年代以来,CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展,对软件的功能、性能,特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充,对软件的内部结构和部分模块,特别是数据管理和图形处理部分,进行了重大改造,使得CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要,它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行 。

CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来,应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合,实现全过程的科学化、信息化管理,以取得良好的经济效益和优良的工程质量。

CAE的功能结构应包含计算机辅助工程计划管理、计算机辅助工程设计、计算机辅助工程施工管理及工程文档管理等项。

计算机辅助工程计划管理包括工程项目的可行性论证、标书、成本与报价、工程计划进度、各子项工程计划与进度、预决算报告等。计算机辅助工程设计包括工程的设计指标、工程设计的有关参数及CAD系统,在CAD系统中应强调设计人员的主导作用,同时注重计算机所提供的支撑与帮助,以在最短的时间内拿出最优的设计方案来。同时,还要注意设计数据的提取和保存,以使其有效地服务于工程的整个生命周期。

计算机辅助施工管理包括工程进度、工程质量、施工安全、施工现场、施工人员、物料供给等方面的管理、控制和调度。它涉及到工程管理学、运筹学、统计学、质量控制等科学技术。当然,管理人员的自身素质是管理工作中的决定因素,必须十分重视管理人员在管理环节中的作用。

CAE技术可广泛地应用于国民经济的许多领域,像各种工业建设项目,例如工厂的建设,公路、铁路、桥梁和隧道的建设;像大型工程项目,例如电站、水坝、水库、船台的建造,船舶及港口的建造和民用建筑等。它还可应用于企业生产过程之中,及其它的企业经营、管理控制过程中,例如工厂的生产过程、公司的商业活动等。

CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术,其关键技术有以下几个方面。

⑴计算机图形技术

CAE系统中表达信息的主要形式是图形,特别是工程图。在CAE运行的过程中,用户与计算机之间的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是计算机图形。所以,计算机图形技术是CAE系统的基础和主要组成部分。

⑵三维实体造型

工程设计项目和机械产品都是三维空间的形体。在设计过程中,设计人员构思形成的也是三维形体。CAE技术中的三维实体造型就是在计算机内建立三维形体的几何模型,记录下该形体的点、棱边、面的几何形状及尺寸,以及各点、边、面间的连接关系。

⑶数据交换技术

CAE系统中的各个子系统,个个功能模块都是系统有机的组成部分,它们都应有统一的几类数据表示格式,是不同的子系统间、不同模块间的数据交换顺利进行,充分发挥应用软件的效益,而且应具有较强的系统可扩展性和软件的可再用性,以提高CAE系统的生产率。各种不同的CAE系统之间为了信息交换及资源共享的目的,也应建立CAE系统软件均应遵守的数据交换规范。国际上通用的标准有GKS、IGES、PDES、STEP等。

⑷工程数据管理技术

CAE系统中生成的几何与拓扑数据,工程机械,工具的性能、数量、状态,原材料的性能、数量、存放地点和价格,工艺数据和施工规范等数据必须通过计算机存储、读取、处理和传送。这些数据的有效组织和管理是建造CAE系统的又一关键技术,是CAE系统集成的核心。采用数据库管理系统(DBMS)对所产生的数据进行管理是最好的技术手段。

管理信息系统

工程管理的成败,取决于能否做出有效的决策。一定的管理方法和管理手段是一定社会生产力发展水平的产物。市场经济环境中企业的竞争不仅是人才与技术的竞争,而且是管理水平、经营方针的竞争,是管理决策的竞争。决策的依据和出发点取决于信息的质量。所以,建立一个由人和计算机等组成的能进行信息收集、传输、加工、保存、维护和使用的管理信息系统,有效地利用信息控制企业活动是CAE系统具有战略意义、事关全局的一环。工程的整个过程归根结底是管理过程,工程的质量与效益在很大程度上取决于管理。

CAE软件按研究对象分为:静态结构分析,动态分析;按研究问题分为线性问题,非线性问题;按物理场分:结构(固体)、流体、电磁等。

主要有:Hyperworks,主要做前处理(分单元加载荷加约束)和后处理(看输出结果和仿真),I-DEAS,同时也做CAD,SolidWorks Simulation(CAE仿真部分),SolidWorks Motion,充分利用SolidWorks 的强大功能。TSV,通用前后处理软件。

自动使用SolidWorks 装配体零部件和配合,而不必重新定义它们。

包含多种运动工具(如SolidWorks Motion、物理模拟和SolidWorks装配体运动)的单一工作环境,提供了解决运动问题的可扩展方法。

自动传送SolidWorks 中定义的材料属性。

方便地复制或生成算例,研究多个可能的运动模拟算例。

通过将载荷无缝的传入SolidWorks Simulation,可以直观显示零部件在某个时间点或整个模拟周期内的应力和位移,将物理模型与工程条件相关联。

使用 SolidWorks 配合可生成各种复合运动副,用来代表铰链、螺纹副、球面副、圆柱副、平面副和万向节副等各种条件。

在设计驱动器时使用纯正向作用力来控制加速度和速度。

将常数函数、振动数据点(样条曲线)函数和步进施力函数应用于马达和作用力。

在机械装置的运动范围中切换马达开关。压缩并解除压缩配合,以强制在零件上定位。

生成运动副耦合器(运动齿轮),以便实现各种类型齿轮之间的运动,从而进行动力传送。

定义在延展时缺乏扭转和柔性刚性的连接时使用的线性和非线性弹簧。

定义 3D 接触(具有静摩擦和动摩擦)来捕获两个或多个接触零件之间的相互作用。

包括阻尼效果,以降低振动系统的振幅。使用功能强大且直观的可视化工具来解释结果。

生成整个模拟周期的数值数据的XY 坐标图。

在同一图表中描绘多个XY 坐标图。

可以在运动副位置处显示位移、速度、加速度和力矢量。

可以在模拟过程中显示实体上任意一点的轨迹并在SolidWorks 零件上直接生成参考曲线。

装配体移动时检查碰撞的零件。

使用SolidWorks Motion AⅥ 或eDrawings® 格式可捕获物理运动并与其他人分享这些物理运动。

在任何坐标系中用数值数据生成Microsoft® Excel 格式的图表。

使用另一坐标系(零件)导出图表。

SolidWorks Simulation轻松快速地比较备选设计方案

研究零件和装配体的应力、应变和位移。

使用参数定义分析输入值,例如材料、载荷和几何尺寸。

使用自动化的设计情形工具运行和比较多种设计方案。

使用简单的拖放功能生成并复制分析研究算例。

借助近200 种材料的内嵌库,或使用自己的材料自定义该库。研究不同装配体零部件之间的交互作用。

自动为大型装配体和多实体零件生成网格。

接合具有间隙或缝隙的零部件,无需修改用于分析的装配体。

模拟装配体连接(如销钉、弹簧、螺栓、轴承和点焊)。

研究因压入配合(过盈配合)而产生的应力。

识别在操作过程中可能互相接触的零件的接触力、应力和摩擦力模拟现实运行环境。

应用力、压力、力矩。

自动应用轴承载荷。

将力和约束从远程位置传输到零件或装配体。

模拟重力或因旋转而产生的力(离心力)的效果。

应用固定约束或定向约束。

应用已知位移,而非力。

模拟柔性支撑。

.使用功能强大且直观的可视化工具来解释分析结果

使用3D 轮廓图研究结果数值的分布情况(包括应力、应变、变形形状、位移、能量、误差、应变能、密度和反作用力)。

使用预定义的传感器或探测工具测量任何位置的结果。

绘制沿路径变化的应力。

使用剖面图显示沿模型深度的结果,而且可以动态移动这些剖面。

列出分析结果并自动将数据输出至Microsoft® Excel 和Word。

导入特定位置的物理测试结果并与分析结果进行比较,或导出关键位置的分析数据进行物理测试。

使用设计检查向导确定安全系数。

SolidWorks Simulation模态分析

频率算例可帮助您避免共振和设计振动孤立系统。它们也构成估算线性动态系统的响应的基础;在该系统

中动态环境的系统响应设想为与在分析中考虑到的模型的模式分布之和相等,扭曲分析帮助分析细长杆结构在受压时发生失稳的最低载荷。

热分析:

机械零件及结构遇到温度变化可对产品性能造成极大的影响。

研究传导、对流及辐射热传递。

支持各向同性、正交各向异性及热敏材料属性。

支持稳态和瞬态的热分析

跌落分析:

模拟在各种地面上的虚拟掉落测试;在零件或装配体可能掉落的情况下,了解掉落后它们是否仍能保持完好无损;查看撞击后装配体中各个零件间的相互作用。

优化分析:

设计优化功能可以根据您指定的标准自动确定最佳设计方案。

有关静态分析、热分析、频率分析或扭曲分析的基本约束标准。

有关质量或体积的基本客观标准。

疲劳分析:

了解疲劳对零件或装配体的影响,确定它会持续多长时间以及对设计进行哪些方面的更改可延长其工

作寿命。

雨流图表有助于确定载荷历史中小应力周期的效果以及无限寿命的可能效果。

导入从真实物理测试获得的载荷历史数据,从而定义载荷事件。

压力容器

结合静态载荷事件、热载荷事件和地震载荷事件响应,确定压力容器是否符合必要标准。

根据应用程序要求,对各种载荷进行线性组合。

从不同方向对地震载荷执行SRSS 计算。

线性化任何横截面上的应力,检查是否遵守ASME

压力容器规范。

SolidWorks Simulation

Premium

非线性分析:

快速解决因较大变形及边界条件变化导致的非线性问题。

从线性分析轻松转换到非线性分析。

研究非线性扭曲和翘曲事件。

利用橡胶、硅树脂及其他人造橡胶等超弹性材料优

化设计。

进行弹塑性分析,以研究设计中的屈曲和后屈曲分

析。

包括不同温度下的蠕变效果及材料变化。

动态分析:

研究SolidWorks Simulation环境中因时间历史激励产生的动态响应分析。

使用匀速运行系统和多点运动系统,允许您对具有不均匀支撑激励的结构进行建模。

输入随机振动分析中力激励曲线的功率频谱密度(PSD)。

研究随时间变化的应力、位移、速度及加速度,以及应力、位移、速度及加速度的RMS 及PSD 值。

组合分析:

.从简单的日用品到先进的航空结构材料,越来越多的产品开始采用复合材料。

研究具有膜片和折弯性能的三层、四层以及实心多层外壳要素。每一层均具有自己的各向同性或正交各向异性材料属性、厚度及方向。

使用夹层和石墨或碳素纤维复合材料(例如蜂窝型材料、多孔泡沫和碳素纤维)。

Pro/ENGINEER Mechanica 综合的CAE软件,Pro/ENGINEER包含完整的CAD/CAM功能

Ansys,很经典的CAE,国内应用最广,客户成熟度最高,尤其是在高校科研领域。2006年收购了Fluent,2008年收购了AN-SOFT。Fluent是应用最广的流体分析软件,AN-SOFT是应用最广的电磁分析软件。在收购整合的过程中,Ansys的多物理场耦合成为一大特色。


  ABAQUS,被广泛地认为是功能最强的有限元软件,可以分析复杂的固体 力学结构力学系统

ADINA,强大的非线性功能、能做直接流固耦合。

LS-DYNA,强大的动态问题求解器,专门汽车分析模块,

Nastran,线性问题求解器

Pam crash,专门的碰撞研究软件

Moldflow,模流分析软件

AutoForm,钣金冲压,特别是拉深分析软件

Madymo,汽车安全系统,如气囊,安全带整车碰撞性能分析软件

相对欧美国家,由于技术及仿真软件的价格限制,国内CAE技术要落后一些,虽然这个技术得到了普遍的认可,但是普及程度不高。主要是因为CAE技术使用门槛较高,需要专业的CAE研发人员。此外安世亚太与CADFEM在中国合资的安世中德可以提供CAE项目的咨询服务。

一、引言

CAE(计算机辅助工程分析)主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。在国内有限元法应用最为广泛,故此在这里主要介绍有限元类软件在国内的应用,其他一些软件不做过多的阐述。

作为20世纪中期兴起的技术手段,有限元技术随着计算机技术的迅猛发展,得到了飞速的发展和广泛的应用。基于有限元技术,已经在国际上形成了数百亿规模的市场,而主要的有限元厂商则包括了ABAQUS、Solidworks Simulation 、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等,其他一些基于有限元算法的专业分析软件则不胜枚举。

随着有限元技术的发展,国内原有的有限元应用体系正在发生着深刻的变化。早在80年代初期,国内就已经形成了一批以高校和研究院所为重点的有限元技术研究、开发、应用体系。早期北大袁明武老师应用的SAP,在当时国内引起了广泛的影响。在此背景下,国内的学者相继开发了多套有限元程序,例如大连理工的JIFEX、郑州机械研究所的紫瑞、北京农机学院的有限元分析系统,以及元计算科技发展有限公司梁国平老师的FEPG。而这些软件由于各自的一些原因,虽然在国内产生了一定的影响,但都没能在企业界得到广泛的应用。随着90年代国外大型商业软件进入国门,掀起了第二次有限元应用的浪潮。由于国内高校在有限元技术方面具备一定的研发和应用基础,因而成为了应用初期阶段的主力军。

近几年来,数字化产品设计的概念逐渐深入人心,国内高校技术研究和应用水平不断提高,有限元技术已经为广大企业所认可,第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。值得注意的是,有限元技术不再仅仅停留在高校中,而是更多的走向了企业。同时,更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。

二、应用状况

CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业,在汽车行业的应用以及一些例如选软件网的试用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业,其所涉及的专业领域相当广泛,并且应用历史长、应用成熟度高。

国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、GID公司的GID前后处理软件、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran,这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛的应用。由于有限元技术的特点,使得前处理成为了一个相对独立,而又十分重要的部分。一些大型企业都采用了适应自己需求的前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好的接口,可与众多的有限元求解软件相结合,以便用户更快、更方便地解算问题。

求解软件可以说是琳琅满目,通常的求解软件包括:ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、SciFEA、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC Marc、NX Nastran。这些软件都有着各自的特点,在行业内,一般将其分为线性分析软件和非线性软件,例如ANSYS、ALGOR都在线性分析方面具有自己的优势,而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则在非线性分析方面各具特点,其中ABAQUS被认为是最优秀的非线性求解软件。

分析软件正朝着多物理场的方向发展。大家可以通过业内一些公司的举动感受到这一点,例如,ANSYS公司收购CFX流体软件,并加强与EMSS公司的合作,不断加强其多物理场耦合的功能。在这里需要提到的是,由于历史原因,ALGOR继承了SAP的模块化思想,在多物理场分析方面也有很好的应用;同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发,因此另外还有一些软件在这方面有着良好的应用,比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB,又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。

此外,专用有限元软件受其应用领域的限制,只能在各自的行业领域得到应用。例如,MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件,可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计,调整帽口的位置和数量,进而提高铸造质量。又如,法国ESI公司的ProCAST,其与MAGMA是竞争关系,软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统,也得到了国内很多企业的认可。

在板材成型行业里,有AUTOFORM系列软件,该软件单元架构基于膜单元形式,因此其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN,其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外,来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹,评估板料的成形性能,从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联,因此以上这些软件都注重与CAD软件的接口,基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口,软件的使用操作也都比较方便。

另外,在汽车行业应用中,经常要对整车进行机械动力学仿真,在这一领域中,国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用,以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块专为汽车动力学仿真而设计,使用十分方便。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG,VPG(Virtual Proving Ground)虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验,在LD-DANA平台上开发的,是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的专门应用于汽车工程的软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中的重点整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题。

另外市场上还有一些专业软件,例如,LMS公司的噪音分析软件SYSNOISE,MSC公司的疲劳分析软件MSC/Fatigue,nCode公司的Fatigue,奥地利MAGMA公司的热疲劳分析软件FEMFT等。

三、应用展望

下面笔者将按照一般的产品设计流程,在不同的设计阶段,将上文提到的软件对号入座,帮助读者取得比较感性的认识。

⒈概念设计阶段

这一阶段主要有三个方面的内容。

1)市场调研;

2)技术设计,包括各种方案的计算机效果模拟和分析仿真论证;

3)评估、准备相关生产设施。

这一阶段主要进行较为详细的、带有一定目标性的预演,大企业可以利用一些大型通用非线性CAE软件来帮助制定方案,比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企业可以用ALGOR、ANSYS和ADINA、SciFEA等软件完成这部分工作。

⒉详细设计阶段

在概念设计完成以后,紧接着就是详细设计。这一阶段要绘制各种零部件图样,确定彼此间的装配关系,评估产品的性能(结构强度、刚度、动力特性和生产性等)。

该阶段需要操作简单、使用方便的CAE软件,以便用最少的时间完成评估工作。这类软件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS、SciFEA等,这些软件有着良好的数据接口和网格自动生成功能,使用方便、快捷,对使用者的要求较低。在该阶段的尾期,也可以用一些非线性求解器做进一步的验证。

⒊样机制造阶段

根据详细设计提供的模型或数据完成试验样机的加工制造。该阶段是生产阶段,所以较少使用CAE软件,但可以用一些专业软件,如铸造分析软件、板料成形软件来指导生产。

⒋产品测试评估阶段

这一阶段主要是利用各种测试和评估手段对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性做出全面真实的评价,从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。在该阶段,主要使用一些非线性分析功能强的软件,以及一些多场耦合软件,如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此阶段还可以使用一些机械动力学仿真软件、疲劳分析软件,来最终评估整装后的产品性能。

四、应用建议

综上所述,国内市场上的CAE软件非常丰富,企业采购软件需要根据自己的实际情况。在发展的初期阶段,由于各方面条件还不太完善,资金经费相对较为紧张,因此不可能面面俱到,一次引进所有的应用系统,应有计划、有目标、分阶段地引进。

软件引进一定要根据具体情况量力而行,减少盲目性。在产品开发初期阶段,采购软件实际上是为了解决生产问题,并为紧接着的设计改型作前期准备,该阶段可以找一些项目咨询公司合作开发,以减少前期投入。

先进的分析设计软件只是开发设计的一个必要手段,最为关键的因素还是人。凡是一流的企业无不拥有一只具有丰富实践经验、学科齐全、富有挑战和创造意识的人才队伍。软件好买,人才难寻。因此在引进技术的同时,就要注重人才的培养,一方面可通过消化吸收,在实际设计生产中锻炼队伍,另一方面在国内外广招人才,既可将有经验的人才引进来,也可将企业的人才送出去,学习经验技术,在用人政策上加大倾斜力度。

作为一个大型的CAE分析软件,ANSYS自上个世纪七十年代诞生以来,随着计算机和有限元理论的发展,在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。伴随着版本的更新,分析能力和各项操作功能都得到了更好的完善和发展。ANSYS12.0不仅在计算速度上进行了改进,同时增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。另外,它还将创新的、耳目一新的仿真技术引入各主要物理学科。这些改进代表了仿真驱动产品的发展道路又向前迈出了一步。那么ANSYS 12.0到底有哪些新增功能呢?让我们一睹为快。

ANSYS Workbench作为一个框架,整合现有的应用,将仿真过程结合在一起,这一点在ANSYS Workbench2.0 没有改变。但在工程页引入了工程图解的概念,见图1。通过该项功能,一个复杂的包含多场分析的物理问题,通过系统间的连接实现相关性。图表元素右边的状态符号显示了该项设置是否需要更新、输入等,方便用户查看设置状态。

SciFEA北京超算自主开发的个性化有限元分析系统

SciFEA 超算有限元分析系统(简称SciFEA)是北京超算自主开发的主要的一款有限元软件。SciFEA软件按照全新的可装配的思路进行开发,充分利用软件的可重用性,大大降低了软件开发的难度,增加了软件的可靠度。SciFEA软件的设计架构体现了数值模拟软件个性化发展方向,为用户提供了一种按需选择的新模式。公司现有的技术力量可以面向机械、水利、岩土、地质与地球物理、石油勘探、航空航天、国防军工等领域开展数值模拟软件开发和技术服务。

●Scifea 的优势

●应用价值

计算模块完全独立,用户只须选择关心的计算模块,降低应用成本

没有复杂的模型选择分支,操作简单易行

全中文菜单,便于理解和应用

丰富的计算实例,用户以实例为向导,可快速上手

●前后处理

SciFEA的前后处理器采用欧洲工程数值模拟国际中心开发的GiD软件。GiD软件具有全面的几何建模、网格划分、CAD数据导入、后处理结果显示等功能。GiD采用类似于CAD的操作模式,用户在使用GiD创建复杂模型问题时,会感受到前所未有的方便和轻松。它易于操作、方便灵活、直观便捷。

◆功能全面的几何建模

可以通过拉伸、旋转、景象、缩放、偏置等操作得到面、体,可以直接构造矩形、多边形、圆、球、圆柱、圆锥、棱柱、圆环等;通过体面的布尔加、减、交等操作得到模型。

◆性能卓越的网格自动生成

GiD可快速将几何模型自动离散成线单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元、六面体单元等,并且可以根据用户的需要对网格进行局部的加密以及网格阶次的选择。

◆丰富的CAD和CAE接口

GiD提供:IGES、DXF、Parasolid、VDA、STL、Nastran等接口,并且可以将GiD的数据文件写成上述的格式。

◆灵活的后处理

GiD可将结果写成各种常用的图形文件如:BMP、GIF、TPEG、PNG、TGA、TIFF、VRML等格式,以及AVI、MEPG的动画格式。后处理支持的结果显示方式有:带状云图显示、等直线显示、切片显示、矢量显示、变形显示等等。并且可以根据用户的需要定制显示菜单。

●可信度保障措施

基于严格的有限元理论进行软件设计

采用装配式开发,通过软件模块重用增加可信度

采用独立的数据结构,新增模块不影响既有模块

通过算例将SciFEA计算结果和理论解进行验证

在高校、科研单位建立软件测试站点,充分进行软件测试。

RECURDYN简介:

在CAE中,还有一款软件性能相当优越RECURDYN,它是有韩国FunctionBay联合世界各地的实验室研发出,在多体系统仿真中应用尤为重要。由于采用先进的算法,仿真的可靠度、运行求解速度大大提升。该软件在接触碰撞、刚柔混合领域表现出色,可运用于飞机起落架仿真、履带坦克仿真、发动机仿真等多领域。该软件还与MATLAB设有接口,可以进行联合仿真,方便快捷。

新的世纪已经来临,在这信息化和网络化的时代,随着计算机技术、CAE软件和网络技术的进步,计算机辅助工程将得到极大的发展。

硬件方面,计算机将在高速化、小型化和大容量方面取得更大进步。可以预见,不久的将来PC机将在运行速度和存储容量方面得到大幅度的提高,使许多CAE分析软件都能在PC机上运行。这将为CAE技术的普及创造更好的硬件基础,促进CAE技术的工业化应用 。

软件方面,现有的计算机仿真分析软件将得到进一步的完善。大型通用分析软件的功能将愈来愈强大,界面也将愈来愈友好,涵盖的工程领域将愈来愈普遍。同时,适用于某些专门用途的专用分析软件也将受到重视并被逐步开发完善起来。各行各业都将会具有适于各自领域的计算机仿真分析软件 。

网络化时代的到来也将对CAE技术的发展带来不可估量的促进作用。现在许多大的软件公司已经采用互联网对用户在其分析过程中遇到的困难提供技术支持。随着互联网技术的不断发展和普及,通过网络信息传递,不仅对某些技术难题,甚至对于全面的CAE分析过程都有可能得到专家的技术支持,这必将在CAE 技术的推广应用方面发挥极为重要的作用 。

中国加入WTO后,我国的产品已不再可能依*政府来保护自己的市场,必须与国际接轨,面对国际市场。工业界必须对市场需求做出迅速反应,缩短工程设计周期,优化产品和节省造价,保证产品质量,才能赢得市场。为此,在产品的设计制造过程中应用CAD、CAE和CAM等技术是最好的选择,这已经成为国际上科技界和工业界的共识。过去长期沿用的那些静态的、孤立的、繁杂的、不准确的、甚至有时只能凭经验进行的设计和分析方法必然将处于被淘汰的地位。我国的工业界要想在激烈的国际市场竞争中占有一席之地,就必须跟上现代科学技术的发展,从现在起就应该对CAE技术予以足够的重视 。

作为世界上发展速度最快的一个发展中国家,CAE技术水平的提高将对增强我国工业界的市场竞争能力,发展国民经济发挥重要作用。因此,我们必须加大对CAE技术的投入,加快开发自己的计算机分析软件,培养一批掌握CAE技术的人才。针对我国工业界,特别是中小企业的CAE技术还较为落后,缺乏专门人才的实际情况,如何利用飞速发展的互联网技术将我们的人才和技术资源充分发挥出来为企业服务,是在CAE技术的发展中值得重视的一个问题。我国科技界、教育界和工业界应该携起手来为CAE技术的研究开发、人才培养和工业化应用而共同努力 。

CAE软件在对应用CAD技术

塑料模具CAE软件在对应用CAD技术建立 的几何模型有限元网格化处理后,输入塑料名称、 牌号和成型过程中所需要的工艺参数(温度、压力、 时间等)后,对塑料模具进行流动、保压、翘曲变形 等模拟,CAE分析软件就能给出塑料熔体流动的 动态图(显示不同时间间隔塑料熔体在各个部位的 温度、压力、流动速度等分布情况)、塑料制件翘曲 变形的位移变化图等信息。

根据CAE软件的分析结果,发现塑料制件、塑 料模具浇注系统、冷却系统等设计中存在的缺陷与 不足,如:个别部位有气孔、充模不完全、塑料制件 有熔接痕等,对原有浇注系统、冷却系统设计方案 进行修改后,再应用塑料模具CAE技术重新进行 分析,并最终优化设计出合适的流道、浇口、冷却水 道等设计方案。

CAE应用领域

CAE技术应用领域非常广泛,可应用在以下领域:建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业等方面

CAE软件的许可证监控管理与调度优化

Lanmantech公司研发的licManager产品充分研究识别IBMLUM及其他主流授权机制并利用LMT核心计算模式在不影响软件许可证本身授权机制的基础上对许可证进行闲置识别、资源调度从而提高许可证的使用率。它的解决方案已被多家世界500强企业所采用。并且可以为企业节省30%左右的许可证费用。


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