2020年(发展战略)综述CAE技术的发展和应用

（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。于产品的设计、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于国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多关联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

和计算精度均有很大提高，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)等均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。它的发展能够追溯到AlexanderHrennikoff(1941)和Richardcourant(1942)的工作，他们的方法具有共同的本质特征：利用网格离散化将壹个连续区域转化为壹族离散的子区域，通常叫做元。HrenfIikofr的丁作离散用类似于格子的网格离散区域；Courant的方法将区域分解为有限个三角形的子区域，用于求解来源于圆柱体转矩问题的二阶椭圆偏。Courant的贡献推动了有限元的发展。1963壹1964年Besseling等确认了有限元法是处理连续介质问题的壹种普遍方法。而后，随着计算机技术的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。近10年来。有限元法的应用范围有了大幅度的提高，已由简单的弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题；分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域。将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，且和计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)密切结合，形成了当下CAE技术框架。CAE软件的发展：早期的CAE软件只是计算处理特殊单壹问题的简单程序。上个世纪60年代开始出现大型通用CAE软件。于此期间世界三大CAE 软件XX公司：MSC、SDEC和ANSYS先后成立。1963年MscXX公司开发了

sADsAM结构分析软件。于1965年Msc参和美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算结构分析方法研究，SADsAM也正式更名为Msc／NASTRAN。1967年sDRCXX公司成立，于1971年推出商用有限元分析软件supertab(I—DEAs)。1970年sAsIXX公司成立，后来重组后改为称ANSYSXX公司，开发了ANSYS 通用有限元分析软件。20世纪70—80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件XX公司相继成立。如致力于发展用于高级1二程分析通用有限元程序的MARcXX公司；致力于机械系统仿真软件开发的MDIXX公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的csARXX公司；致力于结构、流体、流固耦合分析的ADINDXX公司等等。90年代，各CAD软件开发商壹方面大力发展自身CAD软件的功能．如CA，11A、SOUDw0RKs、UG均增加了基本的CAE前后处理及简单的线性、模态方面通过且购另外的cAE软件来增加其软件的cAE功能，如PK(PR0／E)对RAsAN的收购。于cAD软件商大力增强其软件cAE功能的同时，cAE分析软件也于向cAD靠拢。如MAc／NATTRAN于1994年收购了PATRAN作为自己的前后处理软件，且先后开发了和cAllA、UG等cAD软件的数据接口。ANsYs也于大力发展其软件的ANsYs前后处理功能。sDRcXX公司利用I—DEAs自身的cAD功能强大的优势，积极开发和别的cAD模型传输接口。先后投放了和PR0／E、UG、cArl’IA等的接口，以保证cAD，cAE的关联性。同时cAE软件也于积极扩展本身的功能。ANsYS把其产品扩展为ANsY洲EcHNIcAL。

ANsYs，lS-DYNA。ANsYs，PREP0sT等多个应用软件。sDRc则于自己的单壹分析模型的基础上先后形成了多专项应用技术，且将有限元技术和实验技术有机地结合起来。

2CAE技术于内燃机设计中的应用

内燃机作为动力机械，其各项指标涉及到燃烧、排放、油耗、密封、强度、噪声等多方面内容，所以对应的分析也涉及到热力学、流动力学、动力学、疲劳分析等多个方面。而且内燃机的许多零部件，如曲柄连杆机构和配气机构的形状结构、受力，以及发动机的流动、传热传质、燃烧等工作过程十分复杂。因此建立这些零部件及整机的数学模型是十分困难的，而求解数学模型则更为闲难。另外于现代内燃机中由于对内燃机的性能和可靠性指标愈来愈高，其中的壹些参数的变化趋势相互制约，参数优化空间相对变小，研发的风险加大；产品开发需要考虑的变量不断增加。系统的复杂性增大；要求缩短产品开发的周期；降低产品开发的成本和风险。为满足现代内燃机丁业的发展需要，必须对传统的“绘图+经验+发动机台架试验”的设计方法进行改进。按照现代研发的基本流程，壹款内燃机的研发主要包括设计、试验、试制、投产等阶段。cAE分析主要涉及设计和试验阶段，设计和验证阶段的数字化开发可细分为概念设计阶段、布置设计阶段和详细设计阶段。每个阶段均包含了数字化设计和验证工作的且行和协同：设计工程师按照时间进度提交零部件、装配的子系统及整机的CAD设计数据；验证t程师应用CAE手段对设计部门提交的CAD数据进行包括最基本的尺寸和运动学校核、复杂的动力学分析和功能实现以及最复杂的可靠性分析等进行全方位验证。

2．1概念设计阶段

概念设计阶段是发动机产品开发流程中进入工程化开发过程的第壹阶段，也是最重要的阶段。理论上来说，有关所开发产品的所有重大决策性问题均要于这壹阶段内解决。概念设计阶段的主要工作有：对前期项目策划阶段完成的市场、