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CAE学科分类与应用发展趋势

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发表于 2019-1-6 23:03:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

工程和制造企业的生命力在于工程和产品的创新,实现创新的关键,除了创新的思想和理念之外,就是采用最现代化的设计工具和技术手段,即先进可靠的CAE软件。

CAE技术被广泛应用在国防、航空、航天、机械制造、汽车、船舶、兵器、电子、铁道、石化、土木工程、能源、材料工程、科学研究及教育等各个领域。

根据功能对CAE进行分类如下:

(1)通用前后处理:几何模型处理、网格划分、结果后处理。代表软件有:HYPERMESH&HYPERVIEW、ANSYS Workbench、ICEM-CFD、PATRAN、Gambit、ANSA、MSC Apex、FEMAP、NX CAE等;

(2)结构分析:各种结构刚度、强度、模态、疲劳寿命分析。代表软件:MSC Nastran、NX Nastran、ANSYS、ABAQUS、Marc、MSC Fatigue等;

(3)CFD与热分析:气动及外流场分析、内流场分析、对流、辐射、对流传热分析。代表软件:Fluent、CFD++、Flow-3D、Star-CD、CFD-FASTRAN等;

(4)工艺分析:分析各种成形工艺和热处理工艺,包括材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂分析。代表工艺有金属塑性成型工艺、铸造工艺、注塑工艺、热压罐工艺、RTM工艺、机加工、焊接工艺等;代表软件:SIMUFACT、DEFORM、QFORM、DYNAFORM、AUTOFORM、PAM-STAMP、SYSWELD、MOLDFLOW、PROCAST、ANYCASTING、PAM-RTM、RTM-WORX等;

(5)电磁分析:低频、中/高频电磁环境分析等。代表软件有FEKO、EMAX、EMAG、ANSOFT、CST系列软件、ESI产品系列(SYSMAGNA&CEM)等;

(6)NVH分析:NVH是指Noise(噪声)、Vibration(振动)、Harshness(声振粗糙度),由于他们在车辆等机械中是同时出现且密不可分的,因此常把它们放在一起来研究。此外,还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。代表软件:PAM-MEDYSA、VA-ONE、MSC ACTRAN等;

(7)优化分析:对产品进行形状优化,形貌优化,拓扑优化,轻量化设计。代表软件有OPTISTRUCT、TOSCA、ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、ISIGHT等;

(8)多体动力学分析:多体系统动力学是研究多体系统(一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学。代表软件MSC.ADAMS、RECURDYN、LMS Virtual Lab等;

(9)碰撞冲击爆炸跌落分析:主要用于高速瞬态冲击、跌落碰撞、炸药爆炸对结构的响应。代表软件有LS-DYNA、DYTRAN、ABAQUS、ADINA、Pam-Crash等;

(10)多物理场耦合分析:现实工程中,我们要解决的许多问题是物理场(温度场、应力场、流场等)的叠加问题,这些物理场之间是相互影响的。如炼钢时温度高低对于应力分布的影响。代表软件有OOFELIE Multiphysics等。

随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高,CAE分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视,已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径,从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开CAE分析计算。CAE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,在大力推销其软件产品的同时,对软件的功能、性能,用户界面和前、后处理能力等都进行了大幅度的改进与扩充,从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题。根据当今国际上CAE软件的发展情况,可以看出CAE软件的一些发展趋势:

1、CAE软件间的兼容性;

目前没有一款软件包打天下,必然存在软件与软件之间相互补充、相互配合,从而提出了相互之间数据传递的需求,即CAE软件间的兼容性问题。

除不同类型的CAE软件间以合作分析为目的的数据接口外,历史的原因及不同软件分析结果互相验证的需求产生了有限元分析软件之间的数据接口。

2、前处理的简单化

随着模型越来越复杂,求解问题的精度要求越来越高,对前处理工作提出了严峻的考验。因此需要一款更加快捷、简单、高效的前处理软件。

3、CAD/CAE一体化

时间就是企业生命,在产品设计过程中越早引入CAE分析,越能够降低产品成本,缩短研发周期,因此,怎样让产品设计人员加入到CAE分析行业中来,让产品在设计初期就能够通过简单分析得出结构的合理性,成为产品设计的关键,即CAD/CAE一体化是CAE技术发展的一个重要方向。

4、多学科集成

在产品设计过程中,随着产品的要求越来越高,我们不能仅仅考虑以前的刚度,强度问题,整个产品设计过程中,我们需要考虑的问题越来越多,如强度、电磁、热、碰撞冲击、重量等。这就对我们的分析人员提出了更高的要求,怎样在统一的环境中去,求解多个问题,成为了CAE行业的一个发展方向。

5、多相多态介质耦合与多物理场耦合分析

由于CAE技术应用越来越深入,人们关注的问题越来越复杂,耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向,即多物理场(应力场、温度场、电磁场等)非线性耦合分析,多相与多态(流、固、气)介质耦合分析。

6、多尺度耦合分析

从基本材料的组分与构造到复合材料,从复合材料做成构件,再由构件装配成产品,存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象。不同尺度服从不同的物理、力学模型,在产品的精细分析中,不可避免会遇到多尺度模型的耦合问题,目前的CAE软件都仅限于宏观物理、力学模型的产品分析。

7、计算的实时性

     很多的问题在如今求解速度上仍不满足设计需求,在现代计算机高速发展的今天,如何在相同的硬件环境上,更快速的求解出需要的结果,成为CAE软件发展的趋势。

8、程序的开放性

CAE软件的研发成为一个热门的领域。自主研发可以形成有自主知识产权的软件,但是一个成熟的软件都是经历了多年的发展和改进过程,从头开发的成本很高,需要大量人力物力的投入。而依托优秀的商业性软件进行二次开发则无须经过多年的理论与实践验证,既可以利用通用软件的所有功能,又可以按照自己的行业需求进行客户化定制,能够很快地投入使用,节约软件开发成本。因此必须给用户更多开放的接口,允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充。


总之,CAE行业正处于一个快速发展、成长时期,而一项新的技术从提出到应用到产生效益总有一个成长的过程。尤其是在起步阶段,还特别需要各个方面的重视和支持,只有这样,才能共同把这项工作做好。


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