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计算机辅助工程(CAE)技术及其应用

摘要：阐述了计算机辅助工程(CAE)的概念；介绍了CAE的基本内容和应用状况，并对CAE的发展作了相应描述；简述了国内外的主流CAE软件。

关键词：计算机辅助工程；CAE；发展

引言

计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具。计算机辅助工程分析方法和软件是关键的技术要素之一。

借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15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tran和rc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一而USB Type-C连接器的引入旨在减少电子废弃物个小时之内就坍塌了的原因。

计算机辅助工程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。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。

事实证明，在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。

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。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。

1CAE的基本概念

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，但是传统的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。这里主要是指CAE软件。

CAE软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品收获机械所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件。

CAE软件的主体是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)软件。

有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的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。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。

基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。

根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于模型的建立和数据输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。

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，表示应用、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。我们称这一过程为：CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。

2CAE基本结构与功能

2.1CAE分析的三个步骤

应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程：

前处理：对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。

有限元分析：对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。

后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。

2 2CAE软件的结构与功能

现行CAE软件的基本结构如附图所示。

附图CAE软件的基本结构

其中包含以下模块：

前处理模块---给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。

有限元分析模块---有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。

后处理模块---有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。

用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。

CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料库所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力越强。

一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。

前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户需求，使通用软件专业化、属地化，并实现CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成分。它们是通过增设CAD软件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。

CAE通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性、非线性、静态、动态)；场分析(热场、电场、磁场等)；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。

2.我们希望使机身材料实现更多的导电性能3CAE的作用

a)增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；

b)缩短设计和分析的循环周期；

c)CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；

d)采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；

e)在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；

ｆ)模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；

g)进行机械事故分析，查人造革鞋找事故原因。

3CAE应用与发展

3.1历史与应用现状

国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。

1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。

衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，ABAQUS、ANSYS、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。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。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，我国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。

3.2CAE的发展

当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：

a)从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题：从板、壳和实体等连续体固体力学分析，发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题(所谓“流固耦合”的问题)；

b)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题；

c)增强可视化的前置建模和后置数据处理功能；

d)与CAD软件的无缝集成。都开发了和著名的CAD软件(例如Pro/ENGINEER、Unigraph ics、SolidEdge、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。同时CAD综合型CAE工具的分析功能正逐渐加强；

e)改进CAE方法中的优化技术：引入各种优化技术，优化参数评价。具备智能的格划分器，以解决模型在形状参数变化剧烈时出现的格奇化问题；非线性收敛的智能控制技术对非线性优化问题是不可或缺的。

3.3CAE与CAD/CAM

CAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。

CAD/CAM技术是实现创新的关键手段，而CAE技术就是实现创新设计的最主要技术保障。

目前众多的设计单位将“CAD”与“CAE分析”截然分开，由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。事实上，在理想的现代设计过程中，CAE应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。

4主流CAE软件简介

4.1MSC系列工程分析软件

MSC是全球最大的CAE软件供应商，为满足各种工程应用的需求提供了多种仿真工具。MSC具有超过40%的世界MCAE市场份额，2000多家大用户，覆盖了工程仿真的各个方面，在汽车、军事国防、航空航天、机械制造领域占绝对统治地位。主要产品有：

STRAN：大型通用结构有限元分析软件，同时也是工业标准的FEA原代码程序及国际合作和国际招标中工程分析和校验的首选工具；

STRAN：图形框架前后处理器；

TRAN：瞬态动力学仿真技术；

TIGUE：专用的耐久性疲劳寿命所以国内改性高份子的RTI认证还处于低级阶段分析软件系统；

NSTRUCT：用于拓扑及形状优化的概念化设计软件系统；

RC：功能齐全的高级非线性结构有限元分析系统；

USMOD：MSC公司与德国SFE公司共同开发的内噪音预测仿真软件；

PERFORGE：三维锻造仿真软件；

PE白水晶RFORM：制造过程仿真软件。

4.2ANSYS分析软件

ANSYS是最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用。唯一具有中文界面的大型通用有限元软件，能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能，良好的用户开发环境。

软件主要包括前后处理模块和分析计算模块三部分。前处理模块提供实体建模及格划分工具，以便用户构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

4.3ADAMS

美国MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司开发的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是世界上最具权威性的使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障位置开关诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品品质及竞争力的目的。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能、方便而友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。

4.4紫瑞CAE

紫瑞CAE软件由机械部郑州机械研究所、中科院计算数学与工程计算所、郑州紫瑞软件有限公联合研制。是一个与三维CAD软件无缝集成的自动化程度很高的有限元分析软件，主要用于结构分析计算。是国家科技部”九五”科技攻关专题《机械CAE系统产业化开发》项目中推出的具有自主版权的通用软件。目前已发行三个版本：企业版；专业版；教学版。

4.5材料成形CAE软件

塑性成形CAE软件中，国外有DEFORM、MARC/AｕtoForge、AutoForm、DYNAFORM、PAM SYSTEM等软件；国内有清华、上海交大、华中科大、吉林工大等各自研制的部分CAE软件。

铸造成形CAE软件中，国外有MAGAMA、PROCAST、NOVACAST、JS CAST等软件；国内有华中科大的华铸CAE。

塑料注射成形CAE软件中有MOLDFLOW、SLMUCOOL、MOLDCOOL、C COOL等软件。

5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。

参考文献：

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