CAE技術及軟件簡介

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

CAE技術是在上世紀50年代隨著計算機技術的發展而發展起來的一種技術,到目前為止,其技術發展主要已經有五代了,其應用范圍、領域及結果的準確性已經達到很高的程度,在各種設計領域里面大展身手;而隨著計算機軟硬件技術的發展,CAE技術也從軍工、國防等領域逐漸轉向民用領域的應用。近幾年,國內隨著設計需求和創新需求及外部環境的變化,CAE技術也逐漸的在各個領域得以應用,為設計的準確性、可靠性貢獻了很大的力量。
王毅來源:e-works
關鍵字:CAE 簡介系統構成分類

一、CAE技術簡介
1.1 CAE的基本概念
CAE:Computer Aided Engineering的中文翻譯,一般為計算機輔助工程或者用計算機進行輔助設計,還有人稱之為計算機輔助分析等。下面是對CAE概念的一些定義:
CAE是對各種各樣的物理現象進行仿真的計算機應用技術之一;
CAE是一種工具,它能對各種形式的方案用計算機模擬來進行校核,并提出最優設計方案;
CAE是一種用計算機來對設計的產品或零件的性能,功能和安全性進行仿真的技術。

從CAE技術發展來看,主要有3種技術:
A 有限元法(Finite Element Method)
B 邊界元法(Boundary Element Method)
C 差分法(Finite Difference Method)
目前應用最多、最廣的為有限元法,所以有些人稱CAE為有限元分析,有限元法通常也稱之為:FEM (Finite Element Method)法,有限元分析通常稱之為:FEA(Finite Element Ansys)。
1.3 CAE的應用領域

現在CAE技術的應用范圍很廣泛,幾乎覆蓋了設計領域的各個方面;
大型通用有限元軟件能夠有效解決各類大型復雜結構的強度、剛度、屈曲、模態、動力學、熱力學、非線性、(噪)聲學、流體-結構耦合、氣動彈性、超單元、磁場、流體動力學、慣性釋放及結構優化和可靠性設計等問題。
對制造領域而言,目前的專業軟件能夠解決金屬制造過程,如鑄造、鍛壓、擠壓、沖壓、切削等問題,對塑膠類可以進行模流分析、粉末冶金等等。
1.4 CAE的作用

從理論上對“設計”進行可行性的驗證,在物理樣機試驗之前發現缺陷,從而優化設計方案;并對物理試驗進行理論指導。
它的作用是:通過分析,發現理論缺陷,并及時更正設計,由于不需要進行物理樣機制造,計算速度快,并排除掉大部分的不可靠的設計方案,所以可以減少設計失誤、提高產品設計的質量、縮短開發周期、降低開發費用。

1.5 CAE在制造性設計流程中的應用

目前的CAE技術的應用從早期的設計后期的測試階段,轉移到設計前期的零件設計階段。在零件設計階段就引入CAE技術,是近幾年CAE發展的應用熱點。
二、CAE系統構成簡介
CAE 系統由硬件系統和軟件系統兩部分構成:
硬件系統:
普通PC、計算服務器、超級計算機;
軟件系統:
CAE程序(如Ansys、Patran、Marc等)
一般來說,CAE軟件系統是由3部分構成的:即由前處理部分,后處理部分,以及求解器部分3部分組成。
前處理:生成分析所需要的幾何形狀,設置材料及載荷條件,邊界條件等,并生成計算文件供求解器使用。
求解器:把前處理生成的計算文件進行計算,此階段基本不需要人工參與,由計算機自動運行,計算時間跟計算規模和硬件系統有關。
后處理:顯示求解器的計算結果,并導入或導出相關的數據。
三、CAE軟件分類
CAE按照不同的分類方式,可以有多種分類,下面重點介紹以下幾類:
3.1 按照軟件系統構成分類:
市場上銷售的CAE軟件中,具有以下3種類型:
(1)具有前后處理兩方面功能的專用軟件;(Patran、Marc. Mentent、HyperWorks等)
(2)只具備求解功能的軟件;(Marc、Ls-Dyna、Nastran等)
(3)前后處理和求解器連為一體的軟件。(Deform、Cosmos、Abaqus、Ansys等)
3.2 按照軟件的求解范圍分類:
CAE軟件按照求解范圍可以分為兩類,一類是大型通用有限元軟件,另一類是專用有限元軟件。
大型通用結構有限元軟件:
Nastran、Ansys、MARC、LS-DYNA、NX-Nastran(UGS)、cosmos(Solidworks)等。
某個領域的專用有限元程序:
PAM-STAMP(沖壓)、Deform(鍛壓、擠壓)、Simufact.Forming(鍛壓、擠壓)、Dynaform(沖壓)、MoldFlow(模流分析)等等。
四、CAD系統中直接應用的CAE軟件簡介
隨著計算機技術的發展和設計要求的變化,以及CAE軟件的易用性越來越好,CAE技術從剛開始的專業人員手中,逐漸的走到普通的設計人員手中,分析的流程也從設計后期的驗證轉移到設計前期或者設計過程中的應用。
近幾年,隨著簡化分析流程需求的增加,在CAD系統中直接應用CAE軟件,而不需要頻繁的將模型進行轉換或者處理要求,大部分主流的3D設計軟件都增加了自己的分析模塊或者配合了分析模塊。
CATIA V5平臺中,有自己的通用結構分析軟件,也可以和其他的第三方的分析軟件集成應用,如MSC.Nastran、ABAQUS、PAM-STAMP等等多家公司的產品都有和CATIA集成。
UGS-NX:UG-NX有自己的通用結構有限元軟件NX-Nastran;(這里要解釋一下MSC.Nastran和NX-Nastran的區別,MSC.Nastran當年因為壟斷了美國的通用結構有限元市場,違反了美國的反壟斷法,所以將“全部”的源代碼給到了UGS,UGS在其基礎之上及后來收購的I-DEARS開發了NX-Nastran,從求解精度上說,兩者目前的差距是巨大的,MSC公司為專業的有限元軟件公司,目前的CAE市場份額全球第一)NX平臺上還有其他的一些專業的CAE軟件也可以在其上應用,這里就不一一舉例了。
Solidworks:SolidWorks是目前少數幾個擁有自己的CAE產品的CAD軟件供應商,其CAE產品為SolidWorks Simulation,主要有三部分:
SolidWorks Simulation 為大型通用結構有限元分析軟件。
SolidWorks Motion 為運動仿真軟件,求解器為MSC公司的Adams。
SolidWorks Flow Simulation 為流體分析軟件。
由于Solidworks的開放性很高,現在也有一些其他的專用有限元軟件可以直接集成在SolidWorks環境里直接應用,如:BlankWorks、MoldFlow等。