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。