CAE軟件市場的應用現狀

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

作為20世紀中期興起的技術手段,有限元技術隨著計算機技術的迅猛發展,得到了飛速的發展和廣泛的應用。基于有限元技術,已經在國際上形成了數百億規模的市場,而主要的有限元廠商則包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等,其他一些基于有限元算法的專業分析軟件則不勝枚舉。且數字化產品設計的概念逐漸深入人心,國內高校技術研究和應用水平不斷提高,有限元技術已經為廣大企業所認可,第三次有限元技術的應用浪潮正在形成。值得注意的是,有限元技術不再僅僅停留在高校中,而是更多的走向了企業。同時,更多使用方便、操作簡單的專用CAE產品軟件也得到了廣泛應用。

二、應用狀況

目前,CAE產品軟件在國內主要應用于汽車、電子、航空航天、土木工程、石油等行業,在汽車行業的應用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件和行業專用軟件。汽車行業在國外是有限元軟件的主要應用行業,其所涉及的專業領域相當廣泛,并且應用歷史長、應用成熟度高。

國內常見的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran,這些軟件在美國的汽車廠商中都有著廣泛的應用。由于有限元技術的特點,使得前處理成為了一個相對獨立,而又十分重要的部分。一些大型企業都采用了適應自己需求的前后處理軟件。這些前后處理軟件都具有良好的接口,可與眾多的有限元求解軟件相結合,以便用戶更快、更方便地解算問題。

求解CAE產品軟件可以說是琳瑯滿目,通常的求解軟件包括:ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。這些軟件都有著各自的特點,在行業內,一般將其分為線性分析軟件和非線性軟件,例如ANSYS、ALGOR都在線性分析方面具有自己的優勢,而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點,其中ABAQUS被認為是最優秀的非線性求解軟件。

近年來,分析軟件正朝著多物理場的方向發展。大家可以通過業內一些公司的舉動感受到這一點,例如,ANSYS公司收購CFX流體軟件,并加強與EMSS公司的合作,不斷加強其多物理場耦合的功能。在這里需要提到的是,由于歷史原因,ALGOR繼承了SAP的模塊化思想,在多物理場分析方面也有很好的應用;同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。由于解算多物理場問題更多是從物理方程出發,因此另外還有一些軟件在這方面有著良好的應用,比如MathWorks公司在數值計算軟件MATLAB基礎上發展起來的FEMLAB,又如國內飛箭公司針對微分方程的FEPG系統。

在板材成型行業里,有AUTOFORM系列軟件,該軟件單元架構基于膜單元形式,因此其運算速度在同行業內相對較快。MSC/DYTRAN,其特有的材料流動性分析可直觀地預測出沖壓件厚度及應力分布、開裂和皺褶的形成等。另外,來自ETA公司的DYNAFORM可以預測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈,評估板料的成形性能,從而為板料成形工藝及模具設計提供幫助。由于這一類分析工作與模具設計有著非常大的關聯,因此以上這些軟件都注重與CAD軟件的接口,基本都與流行的三維設計軟件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有著良好的接口,軟件的使用操作也都比較方便。

另外,在汽車行業應用中,經常要對整車進行機械動力學仿真,在這一領域中,國內常見的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來進行汽車操縱穩定性、汽車行駛平順性的動態仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時選用,以準確地建立輪胎的動力學模型。ADAMS中的CAR模塊專為汽車動力學仿真而設計,使用十分方便。另外在國內應用比較廣泛的還有美國ETA公司的VPG,VPG(Virtual Proving Ground)虛擬試驗場是ETA公司長期總結汽車分析工程經驗,在LD-DANA平臺上開發的,是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的專門應用于汽車工程的軟件。VPG主要被應用于當前汽車產品開發中的重點——整車系統疲勞、整車系統動力學、NVH和整車碰撞安全及乘員保護等熱門問題。

三、應用展望

1.概念設計階段

1)市場調研;

2)技術設計,包括各種方案的計算機效果模擬和分析仿真論證;

3)評估、準備相關生產設施。

這一階段主要進行較為詳細的、帶有一定目標性的預演,大企業可以利用一些大型通用非線性CAE軟件產品來幫助制定方案,比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企業可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等軟件完成這部分工作。

2.詳細設計階段

在概念設計完成以后,緊接著就是詳細設計。這一階段要繪制各種零部件圖樣,確定彼此間的裝配關系,評估產品的性能(結構強度、剛度、動力特性和生產性等)。該階段需要操作簡單、使用方便的CAE軟件產品,以便用最少的時間完成評估工作。這類軟件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等,這些軟件有著良好的數據接口和網格自動生成功能,使用方便、快捷,對使用者的要求較低。在該階段的尾期,也可以用一些非線性求解器做進一步的驗證。

3.樣機制造階段

根據詳細設計提供的模型或數據完成試驗樣機的加工制造。該階段是生產階段,所以較少使用CAE軟件產品,但可以用一些專業軟件,如鑄造分析軟件、板料成形軟件來指導生產。

4.產品測試評估階段

這一階段主要是利用各種測試和評估手段對產品成本、產品性能、產品質量和加工特性做出全面真實的評價,從而為設計更改和產品的生產提供可靠依據。在該階段,主要使用一些非線性分析功能強的軟件,以及一些多場耦合軟件,如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此階段還可以使用一些機械動力學仿真軟件、疲勞分析軟件,來最終評估整裝后的產品性能。