CAE(计算机辅助工程)技术及其应用

材料力学和弹性力学研究的对象都是弹性范围 内的小变形，对于大变形、塑性问题等工程实 际中经常遇到的问题，皆无能为力。
理论上的缺陷为工程实际的计算和产品的优化 设计造成了很大的困难。
（3）计算机辅助工程（CAE）
CAE技术是有限单元法（包括有限条、有限体积、有限差分等）与计 算机结合的产物。 在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术 是企业实现创新设计的最主要的保障 。
软件：软件是CAE分析的主体。开发功能强大、易于使用、运 算速度快的分析软件是关键。
六、国外CAE技术的现状
国外对CAE技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则 是近年来的事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方 面取得的成就，另一方面则有赖于通用分析软件的推出和完善。
各国都在投入大量的人力和物力，加快人才的培养。
CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了30多年的 发展历史，其理论和算法都经历了从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。
CAE的应用领域由最初的固体力学发展到热传导、流体动力学、 电场分析、磁场分析以及多场耦合等领域。 在力学领域的应用已由最初的强度、刚度问题发展到屈曲稳定 性、动力响应、接触问题、弹塑性、大变形等力学性能的分析 计算以及结构性能的优化设计等。
确解。 2、应力近似解在精确解上下振荡。在单元内，某些点上的近
似解等于精确解。。
u a1 a2x a3 y v a4 a5x a6 y
三、CAE技术在工程中的应用举例
早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品设计中的应 用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验 类比设计。
目前的世界年市场份额达5亿美元，以每年15%的速度递增。
七、国内CAE技术的现状
近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业 和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的 水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比仍存在不小的 差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。
目前， ANSYS、 ABAQUS、NASTRAN等大型通用有限元分 析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业 得到了应用，而且在某些领域的应用水平并不低。不少大型工 程项目也采用了这类软件进行分析。我国已经拥有一批科技人 员在从事CAE技术的研究和应用，取得了不少研究成果和应用 经验，使我们在CAE技术方面紧跟住现代科学技术的发展。
例如：随着构件的几何形状由梁向体转化，用
弯曲公式：EIy M x 计算的误差会越来越大。
（2）弹性力学
弹性力学的研究对象：杆状构件、板、壳、实体（两个尺 寸远大于第三个尺寸，或三个尺寸相当的构件）
弹性力学研究的范围：与材料力学研究的范围相同。 弹性力学的优点：弹性力学研究的对象是构件中的点，分析方 法更严密，结果更精确，应用范围更广泛。 弹性力学的缺点：由于研究对象的变形状态较复杂，处理的方 法较严谨，因而解算问题时，往往需要冗长的数学运算。能够 解决的工程实际问题极其有限。
但是，这些研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有 限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、 部分大学和研究机构。
我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。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等 发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国 际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例， 目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。 相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的 市场份额。作为一个国家，一个民族不能长期依赖于引进外国的技 术和产品，因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件，只 有这样才能改变在技术上和经济上受制于人的局面。
ห้องสมุดไป่ตู้ 静力分析 屈曲分析
模态分析 热场分析
流体速度场与压力场分析
流体二次流速度场分析
一家英国的汽车业咨询公司TWR15周完成一个紧凑型家庭 轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。
通过使用非线性仿真软件MSC.Dytran和MSC.Marc重现世贸 大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了世贸大楼
在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。
四、CAE在产品设计中的作用
零件三维建模
来自CAD
生成网格
修改
输入材料属性 施加约束、载荷
求解方程组 显示、输出结果
前处理
求解器 后处理
N
Y
满意否
结束
（1）确保设计合理，缩短设计周期，减少潜在问题。 （2）产品优化设计，确定最佳方案，降低成本； （3）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； （4）进行机械事故分析，查找事故原因。
CAE（计算机辅助工程）技术及其应用
河北理工大学机械工程学院
孟宪举
教授 博士后
一、什么是计算机辅助工程
1、计算机辅助工具
（1）CAD（ Computer Aided Design ）：计算机辅助设计。 （2）CAE （Computer Aided Engineering）：计算机辅助工程。 （3）CAM （Computer Aided Manufacturing）计算机辅助制造。
五、影响CAE发展和应用的关键因素
人才：技术人员要具备一定的CAE的相关知识。如：有限单元 法、数值分析、CAD以及对产品性能的了解等。
硬件：CAE分析对计算机性能的要求很高尤其是对计算速度和 内存的要求更高。早期的CAE分析软件一般都是基于大 型计算机和工作站开发的，近年来PC机性能的提高， 使采用PC机进行分析成为可能。
为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大安全系数的方法，结 果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。
现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高 性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求
（1）材料力学
材料力学的研究对象：杆状构件（长度远大于宽度和厚度的 构件）。
杆：受轴力作用，发生单向拉伸或压缩变形。 轴：受扭矩作用，发生扭转变形。 梁：受法向力作用，发生弯曲变形。 压杆失稳：杆受轴向力，发生失稳变形。 组合构件：以上三种基本变形的组合。
在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中 的一种强制性的工艺规范加以实施。如国外汽车公司的绝大多数 的零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通 不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。
软件的开发和应用方面已达到了很高的水平。如ABAQUS、 ANSYS、NASTRAN等。
2、CAE（Computer Aided Engineering）
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。 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。
有限单元法的基本思想是将结构离散化，用 有限个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。
钢板的弹性变形
钢板的Von Mises 应力
有限单元法解的特点 有限单元法作为一种数值解法，有完整、严密的理论根据， 其解具有以下的特点： 1、当单元尺寸趋向无穷小时，位移、应力近似解单调趋向精
我国的工业界在CAE技术的应用方面与发达国家相比水平还比较 低。大多数的工业企业对CAE技术还处于初步的认同阶段，CAE 技术的工业化应用还有相当的难度。这是因为，一方面我们缺少 自己开发的具有自主知识产权的计算机分析软件，另一方面大量 缺乏掌握CAE技术的科技人员。
对于计算机分析软件问题，目前虽然可以通过技术引进以解燃眉 之急，但是，国外的这类分析软件的价格一般都相当贵，国内不 可能有很多企业购买这类软件来使用。而人才的培养则需要一个 长期的过程，这将是对我国CAE技术的推广应用产生严重影响的 一个制约因素，而且很难在短期内有明显的改观。提高我国工业 企业的科学技术水平，将CAE技术广泛应用于设计与制造过程还 是一项相当艰巨的工作。
三环减速器输入轴与内齿板的应力分析
三环减速器振动特性分析
第一阶固有频率
第二阶固有频率
第一阶振型
第二阶振型
输入输出扭矩的有限元分析与试验误差为1.437%
二、CAE出现的背景
长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用理论力学、材料力学 和弹性力学所提供的公式来进行。由于有许多的简化条件，因而 计算精度很低。
八、结束语
计算机辅助工程技术在发达国家已达到了较为成熟的阶段，工 业化应用已相当普遍。在我国CAE技术还有待进一步开发，工业 化应用程度还较低。发展我国的CAE技术，推广CAE技术的应用 刻不容缓。
谢谢 欢迎商榷
拉伸或压缩
扭转变形
弯曲变形
压杆稳定
材料力学不能解决的工程实际问题举例
1940年，美国华盛顿州塔库马大桥（世界第三）倒塌情况
材料力学的研究范围 弹性范围内的小变形。 各向同性、均质、连续材料。
低碳钢材料性能拉伸实验
材料力学对构件截面变形引用了一些假设。这 样虽然大大简化了数学推演，但结果是近似的， 而不是精确的。