1、計算機輔助工程(CAE)技術及其應用         引言     計算機輔助技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具。計算機輔助工程分析方法和軟件是關鍵的技術要素之一。     計算機輔助工程作為一項跨學科的數值模擬分析技術，越來越受到科技界和工程界的重視。許多大型的CAE分析軟件已相當成熟并已商品化，計算機模擬分析不僅在科學研究中普遍采用，而且在工程上也已達到了實用化階段。     在現代設計流程中，CAE是創造價值的中心環節。事實

2、上，CAE技術是企業實現創新設計的最主要的保障。企業要在激烈的市場競爭中立于不敗之地，就必須不斷保持產品的創新。     1CAE的基本概念     從廣義上說，計算機輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和制造業信息化的所有方面，但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬，及早發現設計缺陷，并證實未來工程、產品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指CAE軟件。     CAE軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或產品所開發的用于產品性

3、能分析、預測和優化的軟件，稱之為專用CAE軟件；可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優化，以實現產品技術創新的軟件，稱之為通用CAE軟件。     CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)軟件。     有限元方法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數目，就可以使解的精

4、確度改變，得到與真實情況無限接近的解。     基于有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化。     根據經驗，CAE各階段所用的時間為：40%45%用于模型的建立和數據輸入，50%55%用于分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。     采用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及

5、隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力等分布的動態顯示圖。我們稱這一過程為：CAE的后處理。針對不同的應用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產線、工廠的運動和運行狀態。     2CAE基本結構與功能     2.1CAE分析的三個步驟     應用CAE軟件對工程或產品進行性能分析和模擬時，一般要經歷以下三個過程：     前處理：對工程或產品進行建模，建立合理的有限元分析模型。     有限元分析：對有限元模型進

6、行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。     后處理：根據工程或產品模型與設計要求，對有限元分析結果進行用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。     2.2CAE軟件的結構與功能     現行CAE軟件的基本結構如附圖所示。     附圖CAE軟件的基本結構    其中包含以下模塊：     前處理模塊-給實體建模與參數化建模，

7、構件的布爾運算，單元自動剖分，節點自動編號與節點參數自動生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。     有限元分析模塊-有限單元庫，材料庫及相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特征，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等。     后處理模塊-有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產品設計要

8、求的數據檢驗與工程規范校核，設計優化與模型修改等。     CAE軟件對工程和產品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其CAE軟件對工程或產品的分析、仿真能力越強。     一個CAE軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。     前后處理是近十多年發展最快的CAE軟件成分，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業化、屬地

9、化，并實現CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關鍵性軟件成分。它們是通過增設CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等軟件的接口數據模塊，實現了CAD/CAE的有效集成。     CAE通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析(線性、非線性、靜態、動態)；場分析(熱場、電場、磁場等)；頻率響應和結構優化等。機構分析能完成機構內零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構的運動模擬及機構參數的優化。     2.3CAE的作用   &

10、#160; a)增加設計功能，借助計算機分析計算，確保產品設計的合理性，減少設計成本；     b)縮短設計和分析的循環周期；     c)CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程，虛擬樣機作用能預測產品在整個生命周期內的可靠性；     d)采用優化設計，找出產品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本；     e)在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題；    )模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經

11、費；     g)進行機械事故分析，查找事故原因。     3CAE應用與發展     國際上早20世紀在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局(NASA)在1965年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統公司開發的NASTRAN有限元分析系統。此后有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產品。

12、    衡量CAE技術水平的重要標志之一是分析軟件的開發和應用。目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經引進我國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業得到了應用。我國的計算機分析軟件開發是一個薄弱環節，嚴重地制約了CAE技術的發展。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達5億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國自己的CAE軟件工業還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。     3.2CAE的發展     當今國際上FEA方法和軟件發展呈現出以下一些趨勢特

13、征：     a)從單純的結構力學計算發展到求解許多物理場問題：從板、殼和實體等連續體固體力學分析，發展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發展到求解幾個交叉學科的問題(所謂“流固耦合”的問題)；     b)由求解線性工程問題進展到分析非線性問題；     c)增強可視化的前置建模和后置數據處理功能；     d)與CAD軟件的無縫集成。都開發了和著名的CAD軟件(例如Pro/ENGINEER、Unigraph ics、SolidEdge、I

14、DEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。同時CAD綜合型CAE工具的分析功能正逐漸加強；     e)改進CAE方法中的優化技術：引入各種優化技術，優化參數評價。具備智能的網格劃分器，以解決模型在形狀參數變化劇烈時出現的網格奇化問題；非線性收斂的智能控制技術對非線性優化問題是不可或缺的。     3.3CAE與CAD/CAM     CAD是CAE和CAM的基礎。在CAE中無論是單個零件、還是整機的有限元分析及機構的運動分析，都需要CAD為其造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進行曲面設計、復

15、雜零件造型和模具設計。在CAD中對零件及部件所做的任何改變，都會在CAE和CAM中有所反應。     CAD/CAM技術是實現創新的關鍵手段，而CAE技術就是實現創新設計的最主要技術保障。     目前眾多的設計單位將“CAD”與“CAE分析”截然分開，由不同的人或部門來完成設計與分析工作，存在工作和數據交接、結果等待和評判等過程，造成了整個設計流程的不暢通。事實上，在理想的現代設計過程中，CAE應該融入產品設計的各個階段和環節，實現設計分析一體化。     4主流CAE軟件簡介   

16、  4.1MSC系列工程分析軟件     MSC是全球最大的CAE軟件供應商，為滿足各種工程應用的需求提供了多種仿真工具。MSC具有超過40%的世界MCAE市場份額，2000多家大用戶，覆蓋了工程仿真的各個方面，在汽車、軍事國防、航空航天、機械制造領域占絕對統治地位。主要產品有：     MSC.NASTRAN：大型通用結構有限元分析軟件，同時也是工業標準的FEA原代碼程序及國際合作和國際招標中工程分析和校驗的首選工具；     MC.NASTRAN：圖形框架前后處理器；   

17、;  MSC.DYTRAN：瞬態動力學仿真技術；     MSC.FATIGUE：專用的耐久性疲勞壽命分析軟件系統；     MSC.CONSTRUCT：用于拓撲及形狀優化的概念化設計軟件系統；     MSC.MARC：功能齊全的高級非線性結構有限元分析系統；     MSC.AKUSMOD：MSC公司與德國SFE公司共同開發的內噪音預測仿真軟件；     MSC.SUPERFORGE：三維鍛造仿真軟件；   &#

18、160; MSC.SUPERFORM：制造過程仿真軟件。     4.2ANSYS分析軟件     ANSYS是最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發的，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是經典CAE工具，在現代產品設計中廣泛使用。唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件，能實現多場及多場耦合分析，具有多物理場優化功能，良好的用戶開發環境。     軟件主要包括前后處理模塊和分析計算模塊三部分。前處理模塊提供實體建模及網格劃分工具，以便用戶構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析、流體

19、動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。     4.3ADAMS     美國MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司開發的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是世界上最具權威性的使用范圍最廣的機械系統動力學分析軟件。用戶使用ADAMS軟件，可以自動生成包括機-電-液一體化在內的、任意復雜系統的多體動力學數字化虛擬樣機模型，能為用戶提供從產品概念設計、方案論證、詳細設計到產品方案修改、優化、試驗規劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結果，從而達到縮短產品開發周期、降低開發成本、提高產品品質及競爭力的目的。由于ADAMS具有通用、精確的仿真功能、方便而友好的用戶界面和強大的圖形動畫顯示能力，所以該軟件已在全世界數以千計的著名大公司中得到成功的應用