CAE

概述

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软件的主体是有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)软件。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。

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。

工作原理

CAE软件的基本结构其中包含以下模块:

①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。

②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。

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。

③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。

④用户界面模块

⑤数据管理系统与数据库

⑥专家系统

⑦知识库

分类

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、强度分析、多体动力学等。

选型指南

市场上CAE软件种类繁多,给企业的选型工作带来了较大的困扰。CAE软件价格都比较昂贵,软件的选择一定要结合企业自身特点量体裁衣,以免造成资金的浪费。那么企业应该如何进行CAE软件选型。

第一,明确企业需求。这是CAE软件选型最基本的前提。企业需对自身需求有着非常明确的认识,如企业目前及今后一段时间内需要解决的技术问题、企业目前已有的软件平台、企业最亟待解决的问题等。还要了解企业的经济能力。

第二,了解相关软件的功能。软件功能必须要满足企业产品设计的需求,很简单的道理,如做大型锻件的企业,不能选择流体等其他领域的分析软件,而是应该在材料加工成型CAE软件里进行筛选,如专业的CAE软件:Deform、Simufact、Qform等,通用性软件MARC、Abaqus等。毕竟每款CAE软件的开发都有其侧重点。

第三,对符合企业需求的软件进行试用或安排考题。对于有限元分析软件来说,软件是否易用?解算器的精度和效率如何?企业如何评判哪款软件最适合企业?那就测试一下吧。当然如果符合条件的软件众多,完全试用的话战线会比较长,这时优先试用权威性的CAE软件,及公众认可度比较高的软件。俗话说,群众的眼光是雪亮的,但也不要错过了“黑马”。

第四,软件对比总结。如,软件的性能(易用性、可靠性、可扩展性、与企业现有CAD/CAE软件的集成性)、求解器精度、价格(在满足功能、性能、企业需求的情况下,优先选择价位低的软件。软件选型比价格时,不仅要比总价,还要比年服务费和升级费)。

注意事项

CAE选型过程中要避免走进以下误区:

第一,盲目攀比。不考虑本企业实际的经济能力,盲目攀比,造成资源的浪费。

第二,贪便宜。为了降低投入,不断降低需求。导致购买的软件开放性差,无法对其进行二次开发,很快就不能适应企业发展的需求等。依然是资源的浪费。

第三,没有“一把手”的参与。领导的早期介入和直接领导,对CAE技术的顺利实施具有举足轻重的作用。缺乏领导的直接参与,一方面将影响企业对CAE技术推广应用的宣传力度,另一方面也难以对本企业今后5-10年的长远发展有明确的规划。

应用方案


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。在汽车行业的应用尤为广泛,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。

CAE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。

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。






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