【发展战略】制造业CAE发展的现状及构想
cae发展现状
cae发展现状现代自动化技术的广泛应用使得计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering,CAE)在工业领域得到了快速发展。
CAE 是利用计算机技术和软件工具来进行工程分析和仿真的过程,可用于设计、开发和优化产品、工作流程和生产线等。
CAE的发展现状是多样化的,涉及到各个不同领域的应用。
在汽车工业中,CAE在车身结构的强度和刚度分析、碰撞仿真以及车辆性能优化方面发挥着重要作用。
通过CAE技术,汽车制造商可以在实际生产之前进行虚拟实验和测试,从而提高产品质量和安全性。
在航空航天领域,CAE被广泛用于飞机结构设计、飞行仿真和机载系统优化。
通过使用CAE软件,航空工程师能够在设计阶段就对飞机进行各种扰动和应力分析,以评估结构的安全性和性能。
此外,CAE还在能源领域、建筑工程和制造业等方面具有重要的应用。
在能源领域,CAE被用于设计和分析发电厂、风力涡轮机、太阳能电池板等能源设备。
在建筑工程中,CAE 可以帮助工程师进行结构分析、热力仿真和风电荷载分析等。
而在制造业中,CAE被用于机械零件的设计和制造过程中的仿真和优化。
随着计算能力的不断提升和软件工具的不断更新,CAE在工程领域的应用也在不断扩大。
据预测,未来CAE领域将更加强调与其他工程软件和系统的集成,以实现更高效的设计和仿真过程。
此外,随着人工智能和机器学习技术的普及,CAE 还将更好地支持自动化和智能化的工程设计和分析。
总之,CAE在工程领域的发展前景广阔,其应用范围涵盖了许多不同的行业和领域。
由于CAE能够提供准确、高效和经济的工程分析和仿真解决方案,预计它将继续在未来的工程实践中发挥重要作用。
CAE技术在制造业中的发展
F l u e n t 、S t a r - C D 等;还有多体动力学仿真软件A s 等 )、C A M 类( 如 M a s t e r e a m 等) 等。其中C A E 技术在现代制造业 的发展 中发挥着重要作
用。
2 C A E 的概念曩其发展历程 C A E( C o m p u t e r A i d e d E n g i n e e r i n g ) 从字面上讲是计算机辅助 工 程 ,其概念很广,可以包括工程和制造业信息化的所有方面。 2 O 世 纪6 O 一 7 O 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C A E 的三大公司先后成立 ,致力于大型商用C A E 软件的研究与开
1 引 肓
近年来 ,随着计 算机仿真技 术 的飞速发展 ,各 种各样 的仿真软 件不断诞生 , 功能也 日 渐强大和完善。计算机仿 真主要可 以分为C A D 类 ( 如U G、C AT I A、A u t o C AD、S o l i d w o r k s 、P r o / E 等 )、C A E 类 ( 有 限元软件  ̄ N N a s t r a n 、A b a q u s 、H y p e r — w o r k s 、A n s y s 等 ;C F D 软件 如
并 于1 9 6 8 年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包 ,1 9 7 1 年 推 出商用有 限元分析软件s u p e r t a b( 后并入I — D E A S )。 1 9 7 0 年S w a n s o n A n a l y s i s S y s t e m,I n c . ( S A S I ) 公司成立 , 后来重组 后改为称A N s Y S 公司 , 开发 了A N S Y S 软件。 2 0 世纪7 O 一 8 O 年代是C A E 技术的蓬勃发展 时期 ,这期间许 多C A E 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 M A R C 公司;致力于机械系统仿真软件开发的M D I 公司;针对大结构 、 流固耦合 、热及 噪声分析的c s A R 公司 ;致力于结构 、流体及流固耦合 分析的A D I N D 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 ̄ I N a s t r a n 、I - D E A S 、A N S Y S 、A D I N D 、S A P 系列 、D Y N A 3 D、 A B A Q U S 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C A E 软件基本上是用结构化软件设 计方法 , 采用F O R 1 N 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 2 O 世纪9 O 年代 以来 ,C A E 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C A E 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 。
浅谈CAE技术现状及发展趋势
浅谈CAE技术现状及发展趋势浅谈CAE技术现状及发展趋势摘要:本文阐述了cae技术的发展历程、功能作用、面临的挑战以及发展趋势。
关键词:cae发展历程功能挑战cae是一种在二维或是三维几何形体cad的基础上,运用有限元(fe)\边界元(be)、混合元(me)、刚性元(re)、优先差分和最优化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。
其核心技术为有限元与最优化技术。
1 cae技术的发展历程世纪60年代,cae技术处于探索时期。
因为当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点,其分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问。
70~80年代是cae技术蓬勃发展时期。
这一时期的cae发展的特点:软件主要集中在计算精度、速度和硬件平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。
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。
使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。
这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。
90年代是cae技术成熟壮大阶段。
这一时期的cae软件一方面与cad软件紧密结合,另一方面扩展cae本身的功能。
并将有限元技术与实验技术有机地结合起来,开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。
经过了50多年的洗礼cae技术已经逐步走向成熟,现今cae技术作为一门新兴的学科走进了大学也成为各大企业在设计新产品的过程中必不可少的一环。
随着新技术的发展cae软件与cad/cam/capp/pdm/erp一起,已经成为支持工程行业和制造企业信息化地主导技术,在提高工程/产品的设计质量、降低研究开发成本,缩短开发周期方面都发挥了巨大的作用。
但对于cae技术的用户企业和提供商而言,cae技术仍然面临着使用复杂,工程师理论知识缺乏,缺少经验以及计算机硬件与软件结合等诸多问题2 cae技术的功能和作用(1)采用各种优化技术,找出产品的最佳设计方案。
2024年CAE市场发展现状
2024年CAE市场发展现状1. 引言计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering,简称CAE)是一种利用计算机软件来进行工程设计、分析和优化的技术。
近年来,CAE市场取得了快速发展,其在各个领域的应用越来越广泛。
本文将介绍CAE市场的现状,并探讨其发展趋势。
2. CAE市场规模根据市场研究机构的数据显示,CAE市场在过去几年中保持了稳定增长的态势。
据预测,到2025年,全球CAE市场规模将达到xxx亿美元。
这一增长主要受益于工程领域的数字化转型,以及制造业和汽车行业对CAE技术的广泛应用。
3. CAE市场应用领域CAE技术在各个行业中都得到了广泛应用。
以下是一些主要应用领域的介绍:3.1 汽车行业CAE在汽车行业中的应用非常广泛。
汽车制造商利用CAE技术进行车身设计、碰撞测试、空气动力学分析等,大大缩短了产品开发周期,并提高了产品质量和安全性。
3.2 能源行业在能源行业中,CAE技术被用于优化发电厂和核电站的设计,以及提高发电效率和安全性。
此外,CAE还可以用于风力发电机组和太阳能电池板的设计和优化。
3.3 航空航天行业航空航天行业对CAE技术的需求也非常大。
CAE可以用于飞机的结构设计、翼型优化、气动导航分析等。
借助CAE技术,航空航天企业可以更好地理解飞机的性能,并提高研发效率。
3.4 电子行业在电子行业中,CAE技术被广泛用于电路设计和电子元件的热分析。
借助CAE软件的仿真功能,设计人员可以在实际制造之前模拟电路的性能,并进行选材和优化。
4. CAE技术发展趋势CAE技术在不断发展和演进中,以下是几个主要的发展趋势:4.1 云计算随着云计算的普及,越来越多的CAE软件开始支持云端部署和运行。
这使得用户可以随时随地使用CAE工具,无需安装和维护复杂的软件环境。
4.2 多物理场耦合未来的CAE软件将更加注重多物理场的耦合。
例如,在进行汽车碰撞仿真时,需要综合考虑结构、材料、动力学等方面的因素。
cae软件的现状与实施方法
cae软件的现状与实施方法CAE软件的现状与实施方法CAE(计算机辅助工程)软件是一种基于计算机技术的工程分析工具,它可以帮助工程师在设计和制造过程中进行模拟和分析,以便更好地理解和优化产品性能。
CAE软件在工程领域中应用广泛,包括机械、航空、汽车、电子、建筑等多个行业。
本文将介绍CAE软件的现状和实施方法。
一、CAE软件的现状1.市场规模CAE软件市场规模不断扩大,预计到2025年将达到240亿美元。
其中,机械行业是最大的应用领域,占据了市场份额的40%以上。
此外,航空、汽车、电子、建筑等行业也在不断增长。
2.技术发展CAE软件的技术不断发展,主要表现在以下几个方面:(1)多物理场耦合分析:CAE软件可以模拟多种物理场的相互作用,如结构、流体、热、电磁等,以更准确地预测产品性能。
(2)高性能计算:CAE软件可以利用高性能计算技术,加速计算速度,提高分析效率。
(3)云计算:CAE软件可以通过云计算技术,实现分布式计算和协同工作,提高团队协作效率。
3.应用领域CAE软件的应用领域不断扩大,主要表现在以下几个方面:(1)仿真设计:CAE软件可以帮助工程师进行产品设计和优化,以减少试错成本和时间。
(2)产品测试:CAE软件可以模拟产品在不同环境下的工作情况,以便进行产品测试和验证。
(3)生产制造:CAE软件可以帮助工程师进行生产制造过程的模拟和优化,以提高生产效率和质量。
二、CAE软件的实施方法1.需求分析在实施CAE软件之前,需要进行需求分析,明确软件的应用场景和功能需求。
需求分析应该包括以下几个方面:(1)应用场景:明确软件的应用领域和具体应用场景。
(2)功能需求:明确软件需要具备的功能和性能要求。
(3)数据需求:明确软件需要处理的数据类型和数据量。
2.软件选择根据需求分析的结果,选择适合的CAE软件。
选择软件时应该考虑以下几个方面:(1)功能和性能:软件需要具备所需的功能和性能要求。
(2)易用性:软件应该易于学习和使用。
(发展战略)综述CAE技术的发展和应用最全版
(发展战略)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,建立计算模型且进行计算机仿真分析。
壹方面,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;另壹方面,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这壹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壹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,且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。
我们称这壹过程为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。
CAE在装备制造业中发展趋势
引言制造业是国民经济的主要支柱,装备制造业是国家竞争力的集中体现,发达国家普遍将发展高端装备产业置于战略地位.2010年10月18日下发的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定(国发2010【32】号)》,以提升制造业核心竞争力等为目标,将高端装备产业等列入战略性新兴产业.我国已是世界制造大国,但与发达国家相比,自主创新能力薄弱等问题依旧突出.我国要从“制造大国”走向“制造强国”,需要变“中国制造”为“中国创造”,而其瓶颈之一就是缺乏“中国设计”国务院在发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》总目标中确定,“经过15年的努力,在我国科学技术的若干重要方面实现以下目标:掌握一批事关国家竞争力的装备制造业和信息产业核心技术,制造业和信息产业技术水平进入世界先进行列.”其中,重点领域“装备制造业”的发展思路之一是“提高装备设计、制造和集成能力,用高新技术改造和提升制造业”,“数字化和智能化设计制造”被列为“优先主题”之一,并指出:重点研究数字化设计制造集成技术,建立若干行业的产品数字化和智能化设计制造平台;开发面向产品全生命周期的、网络环境下的数字化、智能化创新设计方法及技术,CAE分析与工艺设计技术,设计、制造和管理的集成技术;强调“重大产品和重大设施寿命预测技术是提高运行可靠性、安全性、可维护性的关键技术;研究零部件材料的成分设计及成形加工的预测控制和优化技术,基于知识的成形制造过程建模与仿真技术,制造过程在线检测与评估技术,零部件寿命预测技术,重大产品、复杂系统和重大设施的可靠性、安全性与寿命预测技术”.以大规模数值模拟为主的CAE技术在工程研究中正发挥越来越重要的作用,当前CAE 技术已远远超出单纯数值分析的范畴,开始在高端装备结构设计、制造、服役和维护全寿命周期管理中发挥作用.2007年,美国NSF启动“通过千万亿级模拟和分析手段在科学与工程领域加速探索”计划,首选方向为与装备结构研发紧密相关的材料模拟、计算流体力学和结构力学算法.欧盟也在2008年推出类似计划,重点资助多尺度计算与工程设计.大规模数值模拟在装备研发和基础研究中扮演越来越重要的角色.重大装备吸能、抗冲击、热管理、轻量化和多功能结构优化设计,大型零件制造过程(冷、热和特种加工)的数值模拟,面向功能、材料、结构和制造工艺因素的装备结构多学科综合优化设计方法,以及大型流体叶轮机械叶片的非线性流固耦合动力学等工程中的理论和技术研究都离不开大规模数值模拟技术的突破.如先进的计算流体力学和计算结构力学技术的出现,对大型飞机的研发产生深刻的革命性变化:发达国家飞机设计中已有30%~50%的气动数据和结构数据由计算机模拟提供;据国外资料统计,若不大量使用大规模数值模拟技术,仅完成现代飞行器气动设计所需风洞试验就要多耗费5~10年.CAE技术综合性高,产业附加值高,技术辐射和扩散能力强,是科学走向工程的桥梁.从当前高端装备制造领域国家重大项目和航空航天装备发展趋势看,CAE战略高技术特性日益显现,且国际合作日益紧密.进入21世纪,高端装备制造纷纷被各国重新列为优先战略领域,使得CAE技术需求旺盛.另一方面,各学科基础研究成果和应用技术的不断突破为CAE 发展带来新动力.CAE的本质不仅仅是分析,还涉及到产品设计、分析、制造和服役的全寿命过程.高端装备设计与制造都离不开现代设计理论和数值模拟技术的发展.目前,国际高端装备制造领域CAE前沿技术发展趋势主要包括:服务于分析的多物理场响应CAE求解技术,服务于设计的优化设计技术,服务于制造技术的CAE模拟技术,以及服务于全生命周期的管理技术.而且,现代设计理念包含材料与结构一体化设计,环境与结构一体化设计以及环境、功能与结构一体化设计.1 综合服役环境下的结构CAE分析技术当前,具有战略意义的重大装备往往在复杂多物理场环境中服役,包括高温、高压、冲击、噪声、强过载和复杂电磁耦合等恶劣综合环境.新型或特种装备在服役过程中往往处于振动、噪声、过载和热等综合力学环境中.服役综合力学环境的准确预示是提高结构设计水平、控制精度和缩短研制周期的关键问题,并且影响结构安全性评价,其涉及环境预示理论和实验方法,综合环境下结构动力学和振动控制及结构与环境的耦合理论和算法等关键力学问题.以当前国际上具有代表意义的临近空间飞行器为例,严酷的气动热、气动噪声和机体振动等强烈的相互作用具有多物理场耦合特点,使飞行器服役处于超常环境中.气动热使结构产生额外的热应力,导致结构“刚化”,还可使材料特性随温度发生变化,导致结构刚度下降,从而导致声-振耦合动力学特性变化.因此,在飞行器设计和强度校核中必须考虑声-振特性.如何求解和预示超常环境下的多物理场耦合效应是临近空间飞行器研发、设计和试验必须面对的重要问题;其理论研究和数值方法涉及到空气动力学、热力学、材料学、结构力学和计算方法等多学科的交叉;其理论研究成果和数值分析结果有助于从源头上提高我国飞行器结构设计的创新能力.因此,考虑综合服役环境的结构响应模拟为CAE技术带来新的挑战.这些设计的实施首先要解决力学环境和热场等多物理场响应的求解,复杂多物理场响应求解的主要手段就是数值分析.下面以热-声-振相互作用为例说明国内外的现状.VLAHOPOULOS等[1]用有限元法(Finite Element Method, FEM)和边界元法(Boundary Element Method, BEM)对火箭发射时的声-振环境开展数值模拟分析;NG等[2]计算有2种缺陷下热防护系统在热载荷作用下的热应力;LOCKE等[3]考虑热应力影响建立各向同性梁在热载荷和声载荷共同作用下响应的有限元方程;BEHNKE等[4]分析飞行器的一体化金属热防护壳结构在高温、气动和声载荷作用下高温引起材料属性变化对结构动态响应的影响;JEYARAJ 等[56]利用ANSYS和SYSNOISE考虑结构温度变化对各向同性板、各向异性板的振动和声辐射特性的影响;KUMAR等[7]以温度作为热载荷,采用FEM和BEM将热载荷产生的热应力以预加应力的方法施加给结构,计算椭圆功能梯度板在热环境下的声-振耦合响应;文献[8]~[10]对考虑材料特性温度效应的热对结构振动特性影响进行研究.①该文已被《计算力学学报》录用,待发表,作者是西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室的耿谦、李跃明和杨雄伟.虽然已有一些针对热环境下结构声振特性数值研究的报道,但大多为针对梁和板等简单结构中的低频响应分析[1113].文献[14]和文献《热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析》①分别考虑结构热应力和材料热效应产生的影响,分析X43A整体结构的声-振耦合特性.考虑结构变形效应的研究还很少,LI等[15]初步研究针对典型飞行器结构在过载作用下声-振力学响应问题的数值模拟方法.另外,对声-振耦合问题不同频带的数值求解方法也不同,目前主要有FEM,BEM和统计能量分析(Statistical Energy Analysis,SEA).FEM和BEM作为确定性分析方法,虽然理论上可在任何频率范围内预测复杂结构的声振环境,但高频区结构模态密集度高,对高阶模态参数的识别难度大,因此多用于低频问题的求解.SEA是一种统计性质的分析方法,通过将结构与声场之间的相互作用处理成一种弱耦合,求解功率流平衡方程,获得结构与声场在系统级上的响应,适用于高频范围.为实现宽频范围内的计算,也有研究人员将2种或3种方法联合起来求解声-振耦合响应.SHORTER等[1617]提出基于波动理论的混合FEM SEA方法,对复杂结构同时进行确定性和统计性建模,给出一种处理中频问题的途径,可用于宽频声-振问题的求解;SHORTER等[18]和LANGLEY等[19]利用该方法计算复杂系统在宽频内的声-振特性,其中,用FEM描述系统中模态较少的子系统振动特性,用SEA描述不确定子系统的振动特性(通常有较多的模态).WILSON等[20]认为可对结构刚度较大的部分使用FEM分析,而刚度较小的部分使用SEA 分析;GARDNER[21]提出可对结构上比较重要、起关键作用的部位使用FEM或BEM计算,其他部分则采用SEA分析;VLAHOPOULOS等[22]通过FEM与BEM耦合计算的方法预测火箭发射过程中声-振环境;韩峰[23]综合使用FEM,BEM和SEA等3种方法研究典型截锥壳结构在宽频带内的声-振耦合特性,并得到混响实验的验证;解妙霞等[2425]在前人求解梁、平板的基础上,发展一套适于壳结构中高频声-振耦合响应的能量有限元分析方法;YANG等[26]利用FEM SEA方法研究热应力对结构宽频声-振特性的影响;杨雄伟等[27]建立X43A自由状态下结构与内声场的FEM SEA混合模型,考虑热属性和热应力的影响,得到165 dB混响声场作用下结构在 1 800 Hz宽频范围内的响应,研究高温环境对结构声-振特性的影响.实际上,热、噪声和振动三者耦合的结构动力学响应求解是很难的问题,至今在理论上没有得到解决.但是,由于以微振动为主的结构动力学响应引起的热环境变化相对较小,利用结构声-振耦合理论,将热视为影响因素研究结构声-振耦合动力学响应的变化,不失为认识热、噪声和振动相互作用的初步手段.热因素又可进一步分解为材料热效应、结构热应力效应和结构热变形效应.这些都是将原问题转化为热环境作用下的声-振耦合动力学响应求解.因此,未来要模拟更为真实的多物理场环境下结构动力学响应对CAE分析技术提出新的挑战.当然,大规模数值分析只有与具体的物理模拟相结合才能获得在特定领域中的强大生命力.装备结构高精度、可信的模拟关键在于科学表达物理模型,涉及材料性质、结构模型、装配部件连接、边界条件和载荷表征等关键问题,这依赖于力学理论与计算方法的突破,如多物理场耦合效应模型、整体结构动力学模型表达和虚拟试验等.2 重大工程中的流体CAE技术近年来,随着计算机硬件水平的飞速发展和计算机技术的普及,CFD在理论上得到极大发展,涌现出一系列高精度格式网格、高质量网格生成技术和高效数值求解算法.工程应用对CFD软件产品设计在精度、准确度、效率、代价和精细化等方面提出前所未有的苛刻要求,这极大地促进CFD计算机仿真技术的发展,并在众多工业设计领域发挥着举足轻重的作用.以飞行器设计为例,在传统设计时风洞试验是获得飞行器可靠气动性能的主要途径,在某些情况下甚至是唯一途径,而计算大多只停留在采用工程经验公式进行估算的层面上.传统飞行器从雏形设计到定型生产的整个周期中,需要开展数以千计的风洞试验,以期获得各种工况下飞行器从机身、机翼到发动机以及全机等的气动参数和气动性能,这需要耗费大量时间、人力和物力成本.另一方面,由于风洞技术的限制,风洞试验很难给出流动全场的详细信息,同时天地差异的存在导致风洞试验与真实飞行状况存在较大差异.引入CFD仿真技术后,其快速、经济、高效、适用范围广、受限小和数据详尽等优势从根本上改变传统的飞行器设计理念,成为空天飞行器研制中强有力的工具.SILLéN等[28]从工程师的角度详细叙述现代飞行器设计中CFD方法所扮演的重要角色.①.CFD软件产品也处于蓬勃发展阶段,目前国际上著名的有ANSYS公司的FLUENT和CFX 软件以及CD adapco公司的STAR CCM+和Star CD软件等.近年来ESI公司开发的CFDRC 软件包的高速流动计算模块CFD Fastran更是表现优异.上述商业软件通常具有较强的普适性,界面操作友好、简单,同时具有较强的处理复杂问题的能力,如具有动网格、自适应计算、跨平台计算、多物理场耦合以及大规模并行计算等能力.随着CFD技术在工程上发挥越来越重要的作用,强非定常流动、多物理场相互作用、高超声速流动以及复杂湍流运动机理研究变得非常重要[2932],传统CFD软件在这些新领域的应用上具有较强的局限性,亟需开展相关基础研究和软件平台开发工作.除此之外,国外的很多大学和研究所等科研机构也开发出大量具有针对性的CFD数值仿真软件.以NASA[33]为代表,自从20世纪七八十年代开始就非常注重仿真软件的开发,投入相当大的人力、物力和财力,现已开发出具有不同针对性和特点的流动数值仿真软件,并已发展得相当成熟.著名的有CFL3D,FUN3D,OVERFLOW,WIND,LAURA,VULCAN和GASP 等.在欧洲,有法国开发的NSMB流动求解器,德国DLR开发的结构网格流动求解器FLOWER 和非结构网格流动求解器TAU以及英国开发的PMB流动求解器等.这些求解器在易操作性和普适性方面比商业软件逊色许多,但是他们针对各自专业领域进行优化,在处理复杂湍流、高精度计算、真实气体效应、非平衡效应以及处理燃烧化学反应等问题的特殊能力上得到极大提升.通常这些软件都高度保密,不对外出口.另外,近来以OpenCFD公司①牵头的开源CFD仿真平台OpenFOAM为代表,反映来自CFD软件开源领域的声音,现在网络上可以自由下载OpenFOAM源代码,关于该软件的发展和应用的研讨会议已在国际上举办过多次.国内在CFD基础算法的研究上不输于国外,并开发有自己的CFD仿真软件,如中国空气动力研究与发展中心张涵信[34]院士提出并发展的NND格式,已在我国航天、航空院所得到广泛使用;开发的亚跨超CFD软件平台Trip已在基本功能、用户界面、软件测试和复杂网格处理等4个方面取得长足的进展[3537].另外,傅德薰等[38]在高精度激波分辨格式以及可压缩湍流直接数值模拟方面也做出相关研究,并将开发的OpenCFD SC[39]源代码公开.我国CFD软件开发起步较晚,与国外相比投入小,所以现有的CFD软件规模小、集成度低,限制我国CFD软件整体水平的提高.目前,既没有形成类似FLUENT的成熟商业化软件,也没有发展出类似CFL3D和OVERFLOW等性能优异的大型科研CFD软件系统.因此,需要加强各方协调,针对国家重大需求,开发适用于航空航天装备、现代交通与运载装备、能源化工装备、海洋平台和土木工程等领域的具有自主知识产权商业软件和开源的科研CFD软件.3 重型能源动力装备中的流固耦合CAE技术对于各种主、被动冷却热结构,如重型燃气轮机热端部件,人们总是希望获得尽可能准确的温度场和流场分布,从而更好地设计冷却方式,以较小的冷却量获得最佳的服役状态.传统的做法是将整个求解域分为固体区域和流体区域,然后分别处理,该过程需要重复多次且需人为调整流固边界条件,不利于计算的准确性.对于热防护结构分析与设计,热-结构耦合是迫切需要解决的关键问题,而流体-固体-热一体化耦合分析是从结构部件级层次过渡到系统层次的一个桥梁.这是因为无论结构本身模型建立得多么精细,如果其外部力学和热环境预测误差较大,也会无法准确预测结构响应,其安全性和可靠性也无从谈起.人为将环境与结构的耦合问题分为流体域与固体域,再将固体域分为材料和结构进行处理的工程技术在精细分析和设计阶段(如热-结构安全性和可靠性评估)不符合实际.对于热环境预测以及主动冷却结构的共轭传热问题,流体-固体-热耦合分析方法已引起国外学者[4043]的关注. LOHNER等[44]提出一种流体-结构-热相互作用的松耦合算法;TRAN等[45]提出一个连续的流体-结构-热求解器,用于研究空气动力学加热和气动热弹性问题;SAVINO等[40]采用CFD和热应力分析模型耦合方法研究下一代可重复使用运载器的超高温陶瓷(Ultra High Temperature Ceramic,UHTC)热防护系统,结果表明外部流场和结构内部温度场在时间域的耦合模拟对正确预测UHTC材料表面的热载荷十分重要;HENSHAWA等[41]采用不可压N S方程与固体热传导方程耦合,发展基于重叠网格适于复杂外形的共轭传热求解器,结果表明数值仿真结果与解析解吻合很好;德国宇航院领导的IMENS项目[42]采用松耦合方法基于商业软件MPCCI集成CFD软件TAU和结构软件ANSYS,用于分析X38的C/SIC热防护结构的热力耦合问题,获得与试验较为一致的结果,并将其推广到气动热弹性和主动冷却结构分析领域.这些集中在热对流体-结构耦合影响的数值模拟工作充分显示数值模拟技术在工程上的作用.发展流体-热-结构耦合数值模拟方法的主要难点为不同求解器的集成,涉及到流体求解器、热求解器及结构求解器之间复杂的数据传递,如气动压力、结构位移和热载荷的传递方法自然成为关键技术.大型叶轮旋转机械叶片非线性气动弹性是典型的流固耦合问题.随着CFD和计算结构动力学(Computational Structural Dynamics,CSD)以及高性能计算机的发展,基于高精度物理模型的CFD CSD耦合数值模拟方法成为当前求解流固耦合问题可信度最高的方法之一.在CFD CSD耦合数值模拟中,气动模型采用欧拉方程或N S方程,而结构模型则采用有限元直接离散.所采用的模型比以往更能反映系统的物理本质,所以能较好地模拟气动非线性和结构非线性耦合导致的非线性气动弹性问题.虽然表达复杂流固耦合系统的偏微分方程可以通过CFD CSD耦合方法直接进行高精度的数值模拟,从而可以提供离散化流场变量的详尽时空信息,但是大型复杂系统数值模拟计算耗费巨大,针对单点状态的数值模拟方法很难直接应用于设计.因此,在20世纪90年代中期,为解决CFD CSD耦合数值模拟方法用于非线性气动弹性分析计算耗费太大的问题,在NASA和美国空军的资助下,以杜克大学DOWELL教授和NASA的SILVA等为代表的气动弹性领域的学者们提出基于CFD数值模型构造非定常流场降阶模型(Reduced Order Model,ROM)的想法.ROM能以相对较少的自由度(通常在几十阶或几百阶)描述原系统的主要动力学特性,在保留全阶高精度CFD模型可信度和高保真度的同时,计算量又不太大(几乎可以实时获得结果),且能方便地与其他学科模型进行耦合,并用于多学科耦合分析与优化设计.[46]ROM起源于美国,目前在欧洲(主要是英国、德国和法国)和亚洲(主要是中国、新加坡和韩国)也开始流行起来.近几年,陈刚等[4748]将平衡截断方法应用于传统时域POD/ROM,使得时域POD/ROM取得与频域POD/ROM相近的性能,并提出基于POD/ROM的气动弹性主动控制律设计方法;系统地研究基于CFD CSD耦合求解器的Volterra/ROM建模方法,并将其用于翼型、机翼和全机气动弹性主动控制律设计[4952].流固耦合系统的ROM技术为多学科仿真与分析提供强有力的工具,ROM自然被寄予厚望用于进行与流场相关的多学科优化与设计.然而,目前几乎所有的ROM方法包括系统辨识方法和特征模态方法都是数据驱动的经验模型,模型的精度高度依赖于构建ROM时流场的状态(如雷诺数、初始条件和边界条件等),对流场参数变化非常敏感,缺乏足够的鲁棒性.尽管ROM已经在很多领域展现出优良性能,但是现有降阶模型方法还远不能满足众多工程应用领域的要求,其内容还远未完善.在未来,需要发展更多保精度、保性能和保效率的高性能大规模复杂非线性系统的降阶模型方法.4 结束语高端装备制造业战略地位日益突出,为提高装备设计、制造和集成的能力,人们对CAE 的需求已不仅仅在于分析,完整的CAE技术涉及产品设计、分析、制造、服役和维护等全过程.面临如此挑战,CAE首先需具有装备在极端服役环境下准确的结构、流体和流固耦合分析技术,从而逐步向支持现代设计、全寿命周期管理转变.为此,CAE技术需不断突破面向工程应用的多物理场耦合、跨尺度分析、多学科综合设计、产品性能评估和集成等关键技术,丰富不同于计算数学和软件工程的分析理论和数值模拟方法.此外,CAE人才的培养也应该以产品全寿命周期的知识结构为主线。
计算机辅助工程(cae)在我国应用的现状和未来发展的趋势
计算机辅助工程(cae)在我国应用的现状和未来发展的趋势计算机辅助工程(CAE)在我国应用的现状和未来发展的趋势导语:计算机辅助工程(CAE)是利用计算机软件和硬件设备来辅助工程设计、测试和分析的一种技术手段。
随着科技的不断发展,CAE在我国的应用越来越广泛,涉及领域也越来越多。
本文将对CAE在我国的现状和未来发展趋势进行全面评估和探讨,以期能更深入地理解这一重要的工程技术手段。
一、CAE在我国的现状1.1 CAE技术在工程设计中的应用在我国,CAE技术在工程设计中的应用已经非常普遍。
无论是机械制造、航空航天、汽车工业,还是建筑设计、电子电气等领域,都离不开CAE技术的支持。
通过CAE技术,工程师们可以进行虚拟设计、分析和优化,大大提高了工作效率和设计质量。
1.2 CAE技术在工程仿真和测试中的应用另外,在工程仿真和测试领域,CAE技术也扮演着重要角色。
通过建立模型、进行仿真分析,工程师们可以事先发现设计中的缺陷和问题,并加以改进,避免了大量的实际试验和测试成本。
1.3 CAE技术在高新技术领域的应用随着我国高新技术产业的快速发展,CAE技术在航空航天、新能源、新材料等领域的应用也越来越广泛。
飞机设计、石油勘探、材料研发等领域都需要大量的CAE技术支持。
二、CAE在我国的未来发展趋势2.1 人工智能与CAE技术的结合随着人工智能技术的发展,相信未来CAE技术会与人工智能技术相结合,实现更智能化的工程设计和仿真。
通过机器学习和深度学习等技术,CAE可以更准确地模拟真实环境,增强工程设计的智能化和自适应性。
2.2 多物理场耦合仿真技术的发展在未来,多物理场耦合仿真技术将是CAE发展的一个重要方向。
工程设计中经常涉及到多种物理场的耦合,如结构力学、流体动力学、热传导等。
未来CAE技术会更多地关注多物理场的耦合仿真,以实现更真实的工程仿真分析。
2.3 CAE技术在智能制造中的应用随着工业4.0的发展,智能制造将成为未来的发展趋势。
中国CAE的现状分析
中国CAE的现状分析说到CAE分析,我感觉最主要的作用是它能否真实的指导实际工作中产生的问题。
有位学者说过目前中国的制造水平还是仅停留在copy manufatcureing 的这个层次上,也就是一切照搬——CAE也不例外。
目前CAE在汽车、飞机行业中用的可能比较多,可是汽车行业是什么:国外要我们这么做,要有CAE能力才能做。
怎么办,只能照着国外说的,做个结果。
真正问题出来了,还是不停的试验,而国外,则能够准确的模拟。
这个模拟不光是软件层次上的问题,主要是人的问题。
不同的人做的结果都会不一样,这就体现了一个技术人员的真正水平。
只有CAE真正让行业认识到价值,也只有一个行业知道研发的重要性时,CAE才会有用——相信目前国内很少企业会舍得钱做研发的。
当然,目前这种情况正好转,由于国外的压力以及国家对制造业的重视,我认为我们的明天还是不错的。
作为一名力学科研工作者,这几年我深深体会到了cae技术对我工作的帮助和和它未来的强大发展前景,下面我就几个简单的经历来说明:1、这个项目完成应该有1年多了,是某火箭研究院委托的关于某种蜂窝复合板的动力特性分析,工况很多种,作起试验来很麻烦,时间,条件,数据处理.... 我们做了有代表性的几种,其它的全用cae技术得到的,开始委托方也很怀疑我们的cae数据,但是,我们同时提交了其中有代表性的几种工况的试验数据,两者非常吻合,很容易推断出其它工况下cae技术得到的数据的价值了。
于是:用有代表性工况的试验数据来证明我们的cae技术得到的数据是具有非常可信的价值;2、这是个刚完工不久的项目,之前我心里面也没有底,是一个关于海洋深水采油装置的cae分析,因为对象结构庞大,上km长,海洋载荷又是极其复杂,试验几乎是不可行的(缩少比例对象的试验由于载荷的模拟等问题同样存在一个不能完全可信的问题。
),此时的cae是最佳选择!由于不能像上面那样有试验数据比较,详细而准确的理论分析到合理的建模成了一个重要关键,说不清楚你的模型为何如此,你的数据就得不到信任,最终我的力学基础帮助了我,我说服委托方;而且与另外几个被委托方(不同的cae软件或缩少对象比例试验数据)得到的数据也非常吻合。
计算机辅助工程(CAE)在我国应用的现状和未来发展的趋势
计算机辅助工程(CAE)在我国应用的现状和未来发展的趋势摘要:CAE是通过工程分析和计算机技术相结合而成的一种新兴技术,而CAE软件更是结合了工程管理学、计算数学、计算力学等多个学科和技术而成,是一种综合性高,属于知识密集型的信息产品。
随着科学经济的发展,计算机辅助工程CAE有了长足的进步,受到社会各界的关注,尤其是在信息时代,更是为各行各业带来了极大的有利影响。
以下主要针对其应用现状和发展趋势进行了分析。
关键词:计算机辅助工程应用现状发展趋势在进入信息时代之后,知识和技术的更替变得更为迅速,工程和制造业要不断的进步就要求要及时的获取各类信息,吸收新知识,采纳新技术,进行创新性的设计。
而计算机辅助工程技术及其软件,就是进行设计的必备的重要工具。
通过该项技术和相应软件的使用,可以进行动态和静态的模拟,帮助设计者不断的完善和优化设计,进一步提高了实际运行当中的可操作性和可靠性。
一、CAE的应用现状1.汽车制造业CAE被广泛应用在各行各业当中,应用最多的就是汽车制造业。
在设计发动机之时,可以通过CAE进行模拟,从而估计其性能,针对冷却、缸体等进行有限元分析,模拟车身结构的动态和静态,分析车身噪音,针对汽车的平顺性、变速器等方面进行分析。
通过CAE技术的应用,有效的提高了汽车各方面的设计速度,确保了设计完成之后的可操作性和稳定性,降低了开发成本。
与此同时,通过该技术,能够辅助设计者不断的优化和完善设计,进而保障实物具有更为优越的性能,充分满足用户需求。
2.飞机制造业在飞机制造业当中,过去往往是通过手工的方式结合CAD进行设计,而手工的方式存在诸多弊端,比如设计速度慢、误差大、细致性不足等。
并且其主要通过简化过后的结构,以及力学的模型进行工程力学分析,分析的结果难免存在误差,可操作性不高。
这就导致了在进行生产之前,还需要多次的校验,相应的提高了制造成本,降低了工作效率。
在使用了CAE技术之后,从设计到最后的校验等多个环节,都可以结合该技术进行,通过对飞机性能的仿真模拟,不断的调整方案直至最优。
中国CAE行业现状及发展前景分析
中国CAE⾏业现状及发展前景分析中国CAE⾏业现状及发展前景分析CAE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⼴泛应⽤于汽车、航空航天、国防军⼯、电⼦装备等制造业,下游⾏业的产品研发对于CAE具有较⼤的市场需求,有助于驱动业内CAE软件⽔平的提升、CAE⾏业解决⽅案及相关服务的持续完善。
2020年,全球CAE市场被前三⼤供应商所主导,分别是西门⼦、ANSYS和达索,市占率共计47%,前五⼤CAE供应商中另两名分别是Altair和Hexagon。
国内研发设计软件市场中⼴联达市占率最⾼,达14%,随后达索13%,西门⼦12%,神州软件10%,Synopsys7%,可见我国研发设计软件市场仍然被国外⼚商占据;;研发设计软件中CAE占⽐9.57%,近10%,其中主要⼚商为ANSYS、达索、西门⼦、中望和安怀信等,国内三家公司市占⽐均不⾜5%,总占⽐仅6%。
⼀、市场规模2020年,全球CAE市场规模为81亿美元;预计到2025年,CAE市场规模将达到128亿美元,年均复合增长率9.6%。
CAE 消除了对多个原型和产品召回问题的需求,从⽽降低与原型设计和产品召回策略相关的成本,市场有望在预测期内实现前所未有的增长。
运⽤CFD分析电池模块温度的情况增多,延长了电池寿命和性能,将有效推动CAE市场发展。
越来越多的⼯程制造任务被外包给中国、印度、俄罗斯等新兴经济体。
计算机图形技术、三维实体造型技术、数据交换技术、⼯程数据管理技术等关键技术⾰新是推动CAE软件⽔平提升的重要驱动⼒。
“智能制造”带动制造业转型升级,下游⾏业⽤户对CAE认知度和重视度持续提升,CAE辅助产品研发⽣产的重要性⽇益凸显。
CAE的发展趋势及现状
CAE软件的现状及发展趋势摘要:随着CAE应用领域的扩大和专业深度的纵深发展,为了更好地让CAE 技术真正发挥作用,让CAE技术进入设计流程之中,就需要协同CAE集成环境。
CAE系统的开放性和集成性是用户的主要关注点。
本文对CAD/CAE 一体化技术、CAE数据信息分析及技术的应用前景都作了阐述,为其进一步开发提供参考。
CAE是一种在二维或是三维几何形体CAD的基础上,运用有限元(FE) '边界元(BE)、混合元(ME)、刚性元(RE)、优先差分和最优化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。
关键字:CAE技术数据信息分析及技术概述计算机辅助工程(CAE),从字面上讲它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的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计,对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真,及早发现设计缺陨,改进和优化设计方案,证实未来工程/产品的可用性与可靠性。
工程师进行创新设计的重要手段和工具,工程和制造企业的生命力在于工程/产品的创新,而对于工程师来说,实现创新的关键,除了设计思想和概念之外,最主要的技术手段,就是采用先进可靠的CAE软件.科学家进行创新研究的重要手段,科学计算是现代科学家进行科学和技术研究的三大手段之一。
它可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律。
它也是工程科学家的研究成果一理论、方法和科学数据一的归属之一,做成软件和数据库,成为推动工程和社会进步的最新生产力。
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合,而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。
CAE软件分类针对特定类型的工程/产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化计算的软件,称为专用CAE软件。
可以对多种类型的工程/产品的工程行为进行计算分析,模拟仿真,性能预测、评价与优化的软件,称为通用CAE软件。
CAE技术的未来发展趋势
CAE技术的未来发展趋势CAE的未来到底怎么走?经过若干年的相对整合,CAE从几十家,到高端来说就剩下三家,回到企业来说,对某一个特定企业来说,就是用一种CAE来统一进行产品的设计,但是往往您会发现,CAE是统一了,有的企业可能有十几种CAE的应用,到底怎么样构架你产品数字化研发平台呢?临时我把题目改了一下,讲一些例子,具体来说,我们国内好的企业,在这方面到底是怎么样考虑的,在产品的创新方面究竟是怎样来应用这样一个数字化的技术。
我会有一些例子加以阐述,比如说按行业来说,汽车行业CAE在产品的研发中用的是比较早的,我们也知道,CAE的未来到底怎么走?经过若干年的相对整合,CAE从几十家,到高端来说就剩下三家,回到企业来说,对某一个特定企业来说,就是用一种CAE来统一进行产品的设计,但是往往您会发现,CAE是统一了,有的企业可能有十几种CAE的应用,到底怎么样构架你产品数字化研发平台呢?这里有一些好的例子,比如说通用汽车公司,通用是第一个将一个CAE产品写入董事会章程的,通用所有叫得上名的CAE系统都有,这样错误增加,效率降低了,高层就提出问题,有没有包打天下,一个工具能给我全部解决的,经过彻底地分析之后,把系统分成两大类,一类是比较通用的,另外一类就是在某一个特定的问题上研究的比较深,往往这类问题就是CAE相关的一些系统。
这样一来,很自然的,得出一个结论,在通用构建平台的时候,应该是选择一个通用性比较强,比较好的一个典型的高端CAE系统,这就是通用的CAE平台。
即使是这样,在做的过程中还发现,各种各样的CAE对人的要求非常高,从CAE的集合模型过来,做有限元分析的时候要做成网格,GM就是把所有的网格用统一的工具统一了,把各种解算进一步挂在上面,所以说,将来没有一家短时间内能够做到一统天下,但是至少可以一个很好的方式,就是把所有相关的解算器在共建的模型上做。
Ford公司更多的是做了流程自动化构建统一的CAE平台,从这里可以看到,在概念设计阶段,很重要的引入了一个优化的环节,这就是在数字化的应该当中,给我们的一个启示。
中国及全球计算机辅助工程(CAE)行业市场发展现状及竞争格局分析
中国及全球计算机辅助工程(CAE)行业市场发展现状及竞争格局分析一、CAE综述CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程,处于设计研发的中端环节,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。
CAE可以将仿真验证后的结果反馈给设计建模阶段,进行修改,直到满意。
CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术,主要用于模拟分析、验证和改善设计,其关键技术主要应用于五个方面:计算机图形技术、三维实体造型、数据交换技术、工程数据管理技术、管理信息系统。
二、CAE行业产业链CAE行业由上游的软件开发基础设施、中游软件开发及应用以及下游应用领域组成。
上游的软件开发基础设施主要包括软件求解器、基础软件产品以及硬件设备等;中游软件开发及应用主要包括CAE 软件开发以及CAE咨询等;下游应用领域主是汽车、工程机械、航空航天、电子、交通运输等行业。
三、CAE行业发展现状在全球CAE行业市场规模来看,处于稳定增长状态。
据统计,2020年全球CAE行业市场规模为81亿美元,同比上涨10.96%,年均复合增长速度为12.81%,保持稳定增长,预计到2025年全球市场规模将达到128亿美元。
从中国CAE行业市场来看,中国年均复合增速快于全球。
据统计,2018年中国CAE行业市场规模约为14亿元,同比上涨16.67%,预计2021年市场规模达到21亿元,年均复合增长速度为16.2%,增速快于全球。
四、CAE行业竞争格局从全球CAE行业竞争格局来看,国外厂商占主导地位,12大领导厂商处于垄断地位,占据国际市场95%的市场份额,包括美国ANSYS、MathWorks,德国西门子,法国达索、ESI Group等。
据统计,2020年全球CAE行业市场份额前三分别是Ansys、Mathworks、达索,各自占比31.4%、22.2%、14.8%。
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主要内容提要一、目前分析工作所存在的四个主要问题:1、事后分析,即很多分析工作都是市场反馈出了问题才进行分析2、应力测试试验的欠缺3、分析工作未流程化,分析报告未标准化。
4、分析工作现在只有静强度分析,欠缺动态分析、疲劳分析以及非线性分析。
二、工作计划1、从整体到零部件级的分析,先拿956!来进行。
2、完成对挖掘机结构件的分析。
3、对装载机的动态分析。
4、对装载机的疲劳分析和研究。
5、完成对压路机YZ18J的模态分析6、完成对两头忙的分析。
7、应力测试工作的全面开展。
8、非线性分析的加强三、技术管理1、为了能使设计与分析更加密切的结合起来,使分析真正能够参与到设计中去,对于必分析结构,设计者无论是设计新产品还是对某结构做了改动,小批试制在下发图纸以前必须经由分析主管签字确认,否则不予下发。
对于重要的或是分析不能十分确定的构件要进行应力测试试验。
2、分析工作未流程化3、分析报告的标准化。
四、分析人员配置1、近期人员配置·强度分析人员2名·多刚体动力学分析人员1名2、远期人员配置·强度分析人员2名·多刚体动力学分析2名·疲劳分析高手1名·非线性分析高手1名五、软件配置现在所用的有限元分析软件主要是MSC公司的Patran、Nastran,UG公司的Femap、NX Nastran。
也有做刚体动力学分析的,所用软件为MSC公司的ADAMS。
这些软件能购买是最好,购买的主要目的是能够获得他们的技术服务。
有限元分析的发展现状及构想强度、刚度、稳定性是机械产品性能的重要衡量指标,理论计算只能满足对简单构件的计算,对于大部分结构运用材料力学理论计算有困难。
近年来发展的有限单元法已在机械行业得到了广泛的应用,尤其是在汽车、航天行业已发挥了其强大优势。
在我们山东临工利用有限单元法对机械产品进行静强度分析已取得了一些成绩,同时还存在很大的不足,现对分析工作的发展现状做一下汇报,同时对有限元分析的近期工作及远期工作做了构想。
一、发展现状1、所做的分析工作1.1、线性静强度分析下表所列的是所做的一些主要的工作:1.2、少量的非线性分析,主是做了970防滚翻驾驶室,该分析历时两个月,使该驾驶室成功满足了国家规定的强度、刚度与吸能标准。
2、应力测试情况2.1、北京试验厂所做的953结构件的静态应力测试2.2、吉林大学樊老师应课题要求来做过两头忙的铲装部分动态应力测试,同时为我们做了933动臂上一应力集中点的静态应力测试。
2.3、山东大学姜博士应课题要求对953结构件做了静态应力测试2.4、近期测试组已购买电阻应变仪,应力测试的工作马上可以开展。
3、存在问题3.1、关于许用应力的确定问题。
装载机的工作安全系数一般取1.5,理论上来说许用应力应该是材料的屈服极限除以该安全系数,事实上这样并不科学,一是因为针对不同的受力点应当有不同的安全系数,比如尖点安全系数要高于母材的安全系数。
二是结构有一定的疲劳寿命,不同部位按照相同的寿命要求将有不同的许用应力值。
具体许用应力多大合适现在还不能明确确定,这需要长期的经验积累。
3.2、现在所做很多分析工作都是市场反馈出问题了才进行分析,这样很不妥当,分析的目的在于超前把问题解决,以降低事故出现的可能性,从而为企业避免不必要的损失。
既然能进行分析就不能对设计的产品怀着侥幸心理,而应该以分析结果为标准进行相应的设计。
建议分析工作作为一个设计必经过程来处理,在下发图纸之前应附带产品的有限元分析说明书。
3.3、应力测试试验做的还远远不够,做好分析工作试验不能缺少,以后应该在试验方面进行加强,尤其是应该有我们自己的测试小组。
3.4、分析工作未流程化,在设计者看来分析工作可有可无,从而大大减少了分析的工作量;3.5、分析报告未标准化。
3.5、分析工作的单一化。
现在所做的分析主要是静强度分析,这对提高临工的产品质量还是远远不够的,应该增加分析的种类,开展动态应力分析,疲劳分析,非线性分析。
二、对分析工作的构想1、工作计划1.1、近期工作计划1.1.1、从整体到零部件级的分析,先拿956来进行。
将956各个系统进行解剖,一层一层的展开,分出一级部件,二级部件,哪些是必分析件,需要进行哪些分析。
形成一套完整的分析,并制定出必分析件明细。
需要2个月的时间。
装载机需要分析的几大部分如下:■变矩器总成■变速箱总成■变速操纵总成■前桥总成■传动轴总成■后桥总成■连杆机构■铲斗总成■转向器总成■前车架■后车架■驾驶室1.1.2、完善对临工产品的分析。
包括以下几个方面:(1)对挖掘机结构件的分析。
包括655及670两种类型。
时间3个月·对655挖掘机的工作装置部分曾经分析过,但分析过程中对各种工况考虑不是很全面,需要进行完善。
另外还需要对其它几个部分进行分析。
下面列出了需要分析的几大部分:■发动机支承■行走系统■行走操动■工作装置■上架总成■回转机构总成■下架总成■推土铲总成·有限元分析完成后应做相应的应力测试试验。
然后修改有限元模型,使有限元模型能与实际模型相吻合。
依据修改后的有限元模型的结果得出现有挖掘机分析的最终结果,出具分析报告。
·与设计人员进行讨论,对某些设计不合理的构件加以修改,使结构满足强度、刚度、稳定性要求。
(2)对两头忙的分析。
分析的方法如同以上所述的装载机与挖掘机。
(3)压路机的模态分析。
首先对YZ18J进行分析,由于对这样大型的结构进行模态分析还是第一次,所以需要的时间要长一些,大概需要三个月(期间有别的分析任务可以做)。
做完分析后应进行相应的试验以验证分析的正确性,以便将来能够更好的指导实际。
该分析结果能够帮助设计人员降低驾驶室的振动,提高结构件的振动强度。
1.1.3、应力测试工作的全面开展。
现在测试小组已经购买电阻应变仪,再购买一些小的附件就可以开展应力测试工作。
拟对公司的主打产品结合有限元分析的结果进行测试,一方面可以提高有限元分析的水平,另一方面会为设计人员提供有用的数据。
1.2、远期工作计划1.2.1、对装载机的动态分析。
动态分析包括两方面的内容,分述如下:(1)装载机在一个工作周期中的应力变化情况。
在一个循环过程中会有一些冲击是静态分析所考虑不到的,动态分析可以解决这个问题,这也是现在分析发展的一个方向。
做该项分析时应先从有限元前处理中做好模型把各阶模态计算出来,再将结果调入到动力学分析软件(例如ADAMS)中进行整个工作过程的模拟,这样整个过程中各个关节的受力情况及冲击情况就可以模拟出来,然后将结果调入到有限元中再次进行分析计算就可以得出整个工作过程的应力分布情况了。
(2)装载机的动力响应情况。
即装载机在受到某种激励的情况下的位移、速度及加速度响应。
做装载机的动力响应时应先进行模态分析,而后进行瞬态响应分析,随机振动分析。
这些数据对装载机的性能改善很有意义。
1.2.2、装载机的疲劳分析。
通过疲劳分析可预知装载机的的寿命,利用分析数据对结构进行改进从而提高其寿命,实现等寿命设计,提高产品的可靠性。
疲劳寿命分析对我公司现在情况来看很有必要,为了真正能使分析结果来指导实际,该项工作需要经过以下三个过程:(1)软件的配置。
现在有限元分析所用的软件为Patran及Nastran,MSC中所用的疲劳分析模块为Fatigue,需要安装接口,这个问题现在正待解决,要想做疲劳分析需要首先解决这个问题。
其它有限元软件中有的直接带有这一模块,也可以解决这个问题。
(2)有限元分析阶段。
即把已经计算出的应力结果调入到疲劳分析软件中进行计算求出各结构件的疲劳寿命。
(3)试验验证阶段。
至少应对其中的一个构件进行疲劳试验,看他的试验寿命,试验方法按照国家标准进行。
将该构件的试验寿命与有限元分析得出的寿命相比较,然后根据试验结果对有限元模型进行修正,使得分析结果能够与试验结果相一致。
(4)将其它的构件计算出的寿命与试验构件的寿命相比较,修改这些结构使他们的寿命相接近,从而实现等寿命设计。
1.2.3、非线性分析的加强。
前一段时间做过一个材料非线性的项目,即970防滚翻驾驶室的分析。
做了一年多的分析工作,深深感到非线性分析的必要性,做非线性分析可以解决以下几个问题:(1)解决材料非线性问题。
在我们的分析结果中有很多地方已超出材料的屈服极限,超过材料极限后就应该用非线性分析而不能继续用线性进行分析。
分析表明大部分结构在超过屈服阶段后都能满足一定的寿命要求,也就是说并不是说材料的许用应力必须降在屈服极限以下,因而进行材料非线性分析很有必要。
(2)解决接触问题。
在现有的分析中,在铰接处只是近似模拟,在铰接中板附近的应力值及销轴的应力值与实际偏差较大,主要是因为边界条件模拟的不够准确,要想做这个工作需要用到接触非线性的方法。
(3)对零件的加工制造工艺,焊接工艺提出方向上的指导。
这一块是非线性的特长。
通过模拟能够看出某种加工方法是否合理,焊接过程中会产生什么样的残余应力,从而做出方向上的指导。
2、技术管理2.1、将设计与分析密切结合起来为了能使设计与分析更加密切的结合起来,使分析真正能够参与到设计中去,对于必分析结构,设计者无论是设计新产品还是对某结构做了改动,小批试制在下发图纸以前必须经由分析主管签字确认,否则不予下发。
对于重要的或是分析不能十分确定的构件要进行应力测试试验。
如果经过分析后的构件在市场中仍然出现了批量破坏的现象,分析人员将负责对该构件重新进行分析,看是否是分析上的失误,必要时进行相应的应力测试试验。
2.2、制定必分析件标准对于公司的装载机、挖掘机、压路机、两头忙制定必分析件明细。
使设计人员在设计时明确哪些是必须进行分析的,以便下发图纸前签字确认。
2.3、分析过程的流程化。
分析过程应遵循以下流程来进行:2.4、分析报告的标准化。
不同的分析人员将会有不同形式的分析报告,都会存在叙述不全面的现象存在,从而给设计人员的阅读和理解带来困难。
分析报告应详细、标准,这样会消除因为人员的变动而引起的报告的多样化,另一方面能使分析的重要内容保存下来,使后来者都能看懂看明白,能够接着以前的工作继续向下进行,不会造成数据的流失。
分析报告应包涵以下几个内容:2.4.1、分析原因及目标2.4.2、几何模型描述应阐明分析对象包涵几个部件,各部件之间的连接关系,有限元分析时所忽略的部件。
2.4.3、工作安全系数的说明说明各个部件的安全系数及每个部件不同部位的安全系数。
2.4.4、分析类型说明指出该分析是哪种类型的分析,是线性分析,非线性分析,屈曲分析,动力分析,接触分析,模态分析,还是其它。
2.4.5、工况描述描述所分析的对象是如何工作的,有几个危险工况,说明其约束情况及加载情况。
2.4.6、材料描述应说明该项结构所用到的所有材料类型,相关的材料参数,包括屈服极限,抗拉极限,弹性模量,泊松比,密度,硬化指数。