计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述

《计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述发展现状及其应用综述 计算机辅助工程(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。CAE 的核心技术是有限元理论和数字计算方 法。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

2、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 计算机辅助工程 计算机辅助工程 CAE(Computer Aided Engineering)是一个很广 的概念，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 主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可 靠性分析，对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计 算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。 准确地说，CAE 是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工 程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学 仿真。工程数值

3、分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计 用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最 优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性 如何以及使用寿命为多少；运动/动力学仿真用来对 CAD 建模完成的 虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展 的角度看，CAE 的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学 仿真技术。 对 CAE 进一步分析，其具体的含义表现为以下几个方面：(1)运用工 程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、 变形等物理 场量， 给出整个物理场量在空间与时间上的分布， 实现结构的从线性、 静力计算分析到非线

4、性、动力的计算分析；(2)运用过程优化设计的 方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结 构形状参数进行优化设计， 使产品结构性能、 工艺过程达到最优； (3) 运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，对结构的安全性、可 靠性以及使用寿命做出评价与估计；(4)运用运动/动力学的理论、方 法， 对由 CAD 实体造型设计出动的机构、 整机进行运动/动力学仿真， 给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。 2 CAE 技术的发展现状与趋势3 CAE 的理论基础起源于 20 世纪 40 年代， 自 943 年数学家 Courant 第一次尝试用定义在三角形区域上的

5、分片连续函数的最小位能原理 来求解 t.Venant 扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程 师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到 1960 年以后，随着电子 计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发 展起来。自从 19631964 年 Besseling、melosh 和 Jones 等人证明 了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式，从而使得 里兹分析的所有理论基础都适应于有限元法， 确认了有限元法是处理 连续介质问题的一种普遍方法。以此为理论指导，有限元法的应用已 由弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题 扩展到稳定性问题、

6、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 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，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现 在 CAE 技术的框架。 2.1 有限元技术的发展 经过 60 多年的发展，有限元技术已趋 于成熟，普遍为工程界所接受。并开发了相应的有限元分析软件。这 些软件在功能、性能、使用上均达到了比较高的水平。在功能上，影 响软件的前处理器可以调用 CAD 中的几何模型，可以便捷地实现网 格划分及自动划分，灵活地施加各类便捷条件，定义材料特性，设置 不同的计算工况，对特殊问

7、题实现用户子程序的调用等；求解器带有 适合不同问题的求解算法(线性方程组、非线性方程组、特征值等)； 后处理器可给出所需要的可视化的技术结果(等值线、等值面、云图、 动画等)。性能上，可完成线性于非线性问题、静力与动力问题、多 材料、各类边界条件、类工程(机械、电磁、土木等)问题的求解. 2.2 结构优化技术的发展 结构优化方法中早期采用的是基于 直觉的准则法，如满应力准则法、满应变准则法等。20 世纪 60 年代 数学规划法引入结构优化设计中，标志着现代优化设计的开始，数学 规划法中的复合形法、可行方向法、惩罚函数法等在结构优化设计中 得到了广泛的应用。70 年代出现了优化准则法，其思想是将

8、设计问 题的力学特性与数值方法中的各种近似手段相结合， 把高度非线性问 题转化为一系列近似的带显示约束问题， 然后借助于数学规划法进行 求解。80 年代以后，结构优化设计开始应用于工程优化设计中，并 形成了专门研制的工程优化设计软件。随着计算机技术的发展，工程 优化设计软件规模不断扩大，从最初的十几个变量发展上万个变量， 从最初的结构尺寸参数优化，到现今的结构形状优化等。目前具有结 构优化功能的软件有十多种；如专用的结构优化设计软件 SAPOP、 ASTROS、OASIS 等，其中拥有我国自主版权的 DDDU；而在有限元 分析软件中带有优化设计功能的软件有 ANSYS、MSC.NASTRAN

9、等， 还有与 CAD 相集成的优化设计软件 MSC.VisualNastran 等。 2.3 结构强度与寿命评估的发展 由于结构的速度、经济性、耐 久性、可靠性的不断提高，以及不断地减轻结构的重量，结构强度与 寿命评估变得越来越复杂，越来越重要。用复杂机电产品的选型时， 要了解的已不仅是设备的强度指标，还包含设备的使用寿命指标，生 产厂家必须向用户回答在什么情况下厂家提供的设备可靠工作多少 年。要进行结构强度与寿命评估需要借助于有关的理论、方法、行业 上的规范以及材料的数据，这些理论、方法、数据大都是经过大量实 验、 工程实践总结归纳出来的， 国外将这方面的科研成果编制成软件。 如 MSC.F

10、AUIGUE 软件、MSC.MARC 软件中的失效与破坏分析模块。 由于我国国情不同，尤其是评估的数据库内容的不同，需要有适合我 国国情的评估体系/我国在结构强度与寿命评估的理论、方法、规范 及其数据库方面也取得了一定进展，但还有很大的差距，目前还没有 成熟的软件可供使用，但在 CAE 系统中有关结构强度与寿命评估的 内容是必不可少的。 2.4 工程结构动态仿真的发展 在 CAD 造型设计的基础上形成 了工程结构的动态仿真，在这方面已推出的软件有 ADAMS 和 WorkingModel 等，它们是通用的机械结构仿真软件。 ADAMS 提供了模拟实际系统运动和动力过程的仿真环境， 可以全面地仿

11、真实际制造活动中的结构、信息及制造过程， 该软件包括十几个分析模块，其主要功能包括动态模拟与动 态分析。动态模拟包括速度、加速度、力响应、效率能量等， 动态分析包括动态信号的处理、频谱分析、数字滤波、传递 函数的取得等. 19601970 年， 有限元的理论处于发展阶段， 分析的对象主要是航 空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题，又由于当时 的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点，CAE 软 件处于探索时期。1963 年由 Dr. Richard MacNeal 和 Mr. Robert Schwendle 成立了 MSC 开发了第一个结构分析软件。 并于 1965

12、年参 与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算机结构分析方法研究， 其程序业更名为 MSC/Nastran.。1967 年在 NASA 的支持下 SDRC 公 司成立，并于 1968 年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软 件包， 1971 年推出商业用有限元分析软件 Supertab(后并入 I-DEAS)。 1970 年 Dr. John A. Swanson 成立 Swanson Analysis System， Inc.(SASI)后来重组后改称 ANSYS 公司，开发 ANSYS 软件。至此世 界上的三大公司先后了组建工作，致力于大型商用 CAE 软件的研究 与开发。时至今日

13、，这三大巨头主导 CAE 市场的格局基本保持下来。 只是在发展方向上，MSC 和 ANSYS 比较专注于非线性分析市场， SDRC 则是更偏向于线性分析市场，同时 SDRC 发展起来了自己的 CAD/CAE/PDM 技术。 19701980 年代是 CAE 技术蓬勃发展的时期，一方面 SDRC， MSC，ANSYS 等在技术和应用继续创新外，新的 CAE 软件迅速成立。 1971 年 MARC 公司成立，致力于发展用于高级工程分析的通用有限 元程序，而 Marc 程序重点处理非线性结构和热应力问题。1977 年 Mechanical Dynamics Inc.(MDI)公司成立，致力于发展机械

14、系统仿真 软件。 其软件 ADAMS 应用于机械系统运动学、 动力学仿真分析。 1978 年 Hibbitt Karlsson & Sorensen, Inc.公司成立，其 ABAQUS 软件主要 应用于结构非线性分析。1983 年 CSAR 成立。其 CSA/nastran 主要 针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。1983 年 AAC 成立，其程序 COMET 主要用于噪声及结构噪声优化等领域。Computer Aided Design Software，Inc 的 PolyFEM 软件包提供线性静态、动态及热分 析。1986 年 ADINA 公司致力于发展结构、流体及流固耦合的有限元 分

15、析软件。1987 年 Livermore Software Technology Corporation 成 立，其产品 LS-DYNA 及 LS-NIKE30 用隐式上算法求解低高速动态特 征问题。 1988 年 Flomerics 公司成立， 提供用于带脑子系统内部空气 流及热传递的分析程序。1989 年 Engineering Software Kessemochand Development 公司成立，致力于发展法有限元程 序。同时期还有多家专业性软件公司投入专业 CAE 程序的开发。这 一时期的 CAE 发展的特点：软件主要集中在计算精度、速度和硬件 平台的匹配、计算机内存的有效利用

16、及磁盘空间的利用。有限元分析 技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功， 从力学模型开始拓 展到各类物理场(如温度场、磁场、声波场)的分析；从线性分析向非 线性分析(如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引 起的边界条件非线性等)发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析 发展。出现了许多著名的分析软件如 Nastran，I-DEAS，ANSYS， ADINA，SAP 系列，DYNAS3D，ABAQUS，NIKE3D 与 WECAN 等。 使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些使用 者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。 上世纪 90 年代是 CAE 技术的成熟壮大时期。CAD 据说经过三十 年的发展，经历了从线框 CAD 技术到曲面 CAD 技术，再到参数化技 术，直到目前的变量化技术，为 CAE 技术的推广应用打下了坚实的 基础。这期间各 CAD 软件开发商一方面大力发展自身 CAD 软件的功 能，如世界排名前几位的 CAD 软件 CATI