计算机辅助工程分析

日期：2016年11月20日计算机辅助工程分析摘要：计算机辅助工程，即CAE（Computer Aided Engineering），是一个涉及面广、集多学科与工程技术于一体的综合性、知识密集型技术。

在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。

在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。

目前，CAE 主要应用于汽车、航空、电子、土木工程、通用机械、兵器、核能、石油和化工等行业。

关键词: CAE有限元前处理后处理1、计算机辅助工程1.1 CAE的由来CAE（Computer Aided Engineering）英文翻译是计算机辅助工程，泛指包括分析、计算和仿真在内的一切研发活动。

传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于计算力学的有限元分析技术。

制造工程协会SAE （Society of Manufacturing Engineering）将计算机辅助工程（CAE）作为CIM （Computer Integrated Manufacturing）技术构成进行如下定义：分析设计和进行运行仿真，以决定它的性能特征和对设计规则的遵循程度。

CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。

在近20年来市场需求的推动下，CAE技术有了长足的发展，它作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。

21 世纪，是信息时代，随着计算机技术向更高速和更小型化的发展，分析软件的不断开发和完善以及网络通讯的普及，CAE技术的应用将愈来愈广泛并成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志。

1.2 CAE的发展CAE 是以有限元法、有限差分法及有限体积法为数学基础发展起来的。

其中有限元分析在CAE 中运用最广，基于有限元技术的CAE 软件，在数量及应用范围上都处于主要地位。

有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。

物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。

随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。

CAE 技术发展大致可分为4个阶段（与计算机硬件发展密切相关）：第一阶段是上世纪五六十年代，主要开发基本的结构分析程序，基于力法和简单的二维和三维位移有限元法；第二阶段是上世纪七十年代，主要开发通用有限元程序，如NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP等，也产生了混合元和杂交元理论，形成高效数值求解器，线性静力问题求解基本成熟；第三阶段是上世纪八十年代，主要完善及扩充通用有限元软件，产生了结构优化设计技术、前后置处理软件及计算机辅助设计系统，出现了断裂力学的奇异元技术、边界元技术、有限元与其他数值方法联合求解技术；第四阶段从上世纪九十年代中期至今，是微机、网络和仿真时代，一方面，计算结构技术软件适应新的计算机环境；另一方面，计算结构技术与其他学科的综合技术发展迅速，迎来了结构仿真和虚拟验证时代的到来。

国内的发展从70年代末开始起步，与国际发展对应，可分为两个发展阶段。

第一阶段，80年代至90年代中期，是一个快速发展期，开发了大量结构分析软件和CAE 软件。

经过几十年的发展，CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。

并随着计算机技术、CAD 技术、CAPP 技术、CAM技术、PDM 技术和ERP技术的发展，CAE 技术逐渐与它们相互渗透，向多种信息技术的集成方向发展。

1.3 CAE的应用CAE在汽车设计行业中应用是最多的。

发动机方面可进行其性能的计算机估计，燃烧过程的计算机模拟，冷却、传热的有限元分析、缸体等结构的有限元强度分析；车身方面，可进行车身结构动态、静态有限元分析，车身外型空气动力学计算机模拟，车身噪声分析；在底盘方面，可进行车架有限元分析，悬架机构有限元分析，变速器、传动轴及车桥等结构强度的有限元分析；整车方面，可进行汽车平顺性，操纵稳定性的计算机模拟及撞车的有限元模拟。

通过采用CAE 技术，极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。

1.3.2飞机制造业中的应用传统的飞机手工设计方法在结构设计方面几乎都是应用CAD 系统直接进行平面图的绘制，在工程力学分析中基本都是采用简化的结构和力学模型。

由于设计过程不直观，很难在设计阶段就发现设计中存在的问题。

在投入最后的研制生产之前，还需要通过样件实验进行校验，如进行风洞试验。

采用CAE 技术以后，可以在设计阶段就通过仿真系统模拟飞机的性能，从而在设计阶段就可以对方案进行优化，其计算数据也可以用来指导试验，大大节约了研发的周期和成本。

1.3.3板材加工成型中的应用板料成形从力学角度而言，是一个包括几何、材料、边界等强非线性问题的、非常复杂的力学过程，以往人们求解多以解析法实现其误差甚大。

近年来，随着计算机的应用和发展以及有限元技术的成熟，使板料成形的计算机模拟和分析在产品设计制造中发挥着越来越重要的作用。

其中主要涉及单元技术及网格划分、算法的选择、本构关系、接触缺陷处理等关键技术以及仿真与集成等应用方法。

1.3.4模具制造行业中的应用在模具设计工序中进行CAE是为了寻求在冲压加工中常常发生的不良变形、开裂、起皱等的解决对策同时通过CAE的有限元法，分析模具工作面周围的结构，减轻模具结构的总重量，增加刚性分析冲压过程中模具各部的发热情况以便于模架结构设计时合理分布冷却水管，延长模具耐用度。

分析注塑模的注塑过程的材料流动情况使材料流动更合理，更好解决材料收缩的问题分析三维图形数据是否正确，核对图形，分析曲面形状的曲率变化情况，把分析的结果反馈给CAD 阶段使之外观更好看工件更容易成形。

随着CAE技术的不断成熟和CAE软件向高性能方面的发展，CAE技术的应用范围不断扩大，不仅在机械制造业得到了广泛的使用，在其他领域，如生物医学、建筑桥梁、冶金、电子产品制造以及日用消费品的制造中都得到了应用。

著名体育用品厂商耐克公司，在高级旅游鞋的受力结构研究设计中，就是采用有限元分析技术在保证鞋体受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量。

1.4 CAE技术发展趋势随着计算机技术的快速发展，无论在性能、功能软、硬件技术等方面技术也得到极大的发展，并呈现出如下发展趋势：1) CAE 软件向专业应用方向发展：CAE用户开始在通用软件平台上进行二次开发，建立企业级的CAE分析软件，简化分析方法，提高CAE应用效益，以此来建立和提升企业开发和研制的能力。

2) CAE功能进一步扩充：将实现多结构耦合分析，多物理场耦合分析，多尺度耦合分析，以及结构，构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真等功能。

3)三维图形处理与虚拟现实技术：随着快速三维虚拟现实技术的日趋成熟，CAE软件的前后处理系统将会在复杂的三维实体建模及相关的静态和动态图形处理技术方面有新的发展。

4) 并行的CAD、CAE和CAM系统：现在的CAD、CAE 和CAM系统，已经从设计到制造进行了集成。

但对于横向的集成还有待于发展。

国际标准化组织（ISO）正在推行新的数据传输国际标准STEP。

这必将加快CAD、CAE和CAM 集成化的步伐。

5) 多媒体用户界面与智能化、网络化：随着计算机网络和图形技术的发展，未来的CAE软件的用户界面具有更强的直觉性。

同时，使用户能够实现多专业、异地、协同、综合地设计与分析。

这将是CAE发展的必然趋势。

基于internet 的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库将会出现在新一代的CAE软件中。

2、CAE的目标分类和算法2.1 CAE目标分类对产品的设计要求是安全、合用和经济降，与此相适应，CAE可以按目标分为(动、静)刚强度分析、可靠性分析和优化.与相关的设计结合在一起，经常被称为静态设计、动态设计、可靠性设计优化设计冲结构静态分析按静态算法对结构进行分析.通常采用有限元算法1）静态分析的前提是假定产品(或部件)处于平常外界条件下，其所受载荷是恒定量。

2）动态分析是对产品结构动态特性的考察.是根据给定的动态特性指标，求解满足要求的结构设计，或对指定设计进行预测或修改的过程.系统动态特性包括系统本身的固有频率、阻尼特性和对应于各阶段固有频率的振型，以及结构在动载荷下的响应.系统动态分析的优劣取决于两方面:一是建立符合实际的系统动力学模型，其次是选择有效的动态优化方法.3）可靠性分析是一种概率方法，检验产品在规定的工作条件下、规定的时间内、完成规定功能的能力.可靠性分析将常规分析中的设计变量看作是服从某种分布的随机变量，根据所要求的可靠性指标，用率统计的方法确定零部件的主要参数和结构尺寸.优化分析是根据优化原理和方法，综合各方面素，以人机配合方式或自动搜索方式，在计算机上进行的设计分析，选出现有工程条件下的最佳设计方案.其分析目标是最优设计，分析手段是计算机及其程序，分析方法是最优化数学方法.目标分析方法说明了分析与设计间的关系.多目标综合优化设计是当前CAE发展的一个热点。

2.2 CAE算法CAE分析能力的扩大得益于计算机算法的提高.新算法的不断引入，推动计算机辅助分析向更广更深的层次发展.总体上看，CAE采用的算法分为基于几何模型的算法、基于数理模型的算法以及基于知识的算法。

2.2.1基于几何模型基于几何模型的CAE对CAD提供的几何参数进行直接处理.包含质量参数计算、机构分析等内容.质量参数计算利用几何模型，计算研究对象的体积重心等参数.方法包括蒙特卡罗法、单元分割法、积分公式法等.机构分析借助于机械零件或机器人的几何模型，对产品进行运动分析和干涉检验.运动分析通过矩阵运算来实现。

2.22基于数理模型基于数理模型的方法运用数值手段，结合产品的几何模型，在离散化基础上，进行产品静、动态及热、流场分析，预测产品的功能.基本的数值方法包括有限元、边界元、有限差分等.其中，有限元依赖于变分原理，边界元和有限差分分别由积分、微分方程推导出来.这3种方法，有成熟的商业软件包可供利用，各企业也可以根据分析目标，结合产品特点编制特定的应用程序.3种数值方法中，有限元法应用得最普遍，适用于静、动力分析，以及热、磁、流场、声等多场分析，对于不规则边界的问题处理最有成效.以静力分析为例，它首先将考察构件分割成单元，在每个单元建立作用力和位移之间的关系式，然后集成各单元，得到总体关系式，求解该方程，得到场在各离散节点的解.有限元法的通用性使得它可以把固体力学、流体力学、动力学与控制等不同分支中课题的求解统一在一个框架，组织在一个系统中.基于数理模型，产品的分析过程一般分为前处理、模型求解、后处理3个部分.其中前后处理是算法与空间模型的接口，进行相应数据的前期准备与后期整理，完成算式表达和结果显示.模型求解部分实现数理方程的解算.对线性化模型，目前法已近于成熟;当前数理方法的主要研究方向是非线性问题和多体系统建模.数理方法的进步与发展与计算机技术的发展直接相关，它的运用可以最充分地调动计算机软硬件资源，实现产品结构及功能关系的检测和优化。