[行業]CAE軟件在制造業的應用分析

2016-11-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

(計算機輔助工程分析)主要是以有限元法、有限差分;作為20世紀中期興起的技術手段,有限元技術隨著計;隨著有限元技術的發展,國內原有的有限元應用體系正;近幾年來,數字化產品設計的概念逐漸深入人心

引言

(計算機輔助工程分析)主要是以有限元法、有限差分法、有限體積以及無網格法為數學基礎發展起來的一個軟件行業。由于目前在國內有限元法應用最為廣泛,故此在這里主要介紹有限元類軟件在國內的應用,其他一些軟件不做過多的闡述。

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。

隨著有限元技術的發展,國內原有的有限元應用體系正在發生著深刻的變化。早在80年代初期,國內就已經形成了一批以高校和研究院所為重點的有限元技術研究、開發、應用體系。早期北大袁明武老師應用的SAP,在當時國內引起了廣泛的影響。在此背景下,國內的學者相繼開發了多套有限元程序,例如大連理工的JIFEX、鄭州機械研究所的紫瑞、北京農機學院的有限元分析系統,以及計算所梁國平老師的FEPG。而這些軟件由于各自的一些原因,雖然在國內產生了一定的影響,但都沒能在企業界得到廣泛的應用。隨著90年代國外大型商業軟件進入國門,掀起了第二次有限元應用的浪潮。由于國內高校在有限元技術方面具備一定的研發和應用基礎,因而成為了應用初期階段的主力軍。

近幾年來,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、操作簡單的專用分析軟件也得到了廣泛應用。

應用狀況

目前,CAE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。

目前,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。

此外,專用有限元軟件受其應用領域的限制,只能在各自的行業領域得到應用。例如,MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件,可進行各種金屬材料澆鑄、流動性、固化、壓力、應力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據計算結果更改設計,調整帽口的位置和數量,進而提高鑄造質量。又如,法國ESI公司的ProCAST,其與MAGMA是競爭關系,軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領域應用比較多的Deform系統,也得到了國內很多企業的認可。

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。另外市場上還有一些專業軟件,例如,LMS公司的噪音分析軟件SYSNOISE,MSC公司的疲勞分析軟件MSC/Fatigue,nCode公司的Fatigue,奧地利MAGMA公司的熱疲勞分析軟件FEMFT等。

應用展望

下面筆者將按照一般的產品設計流程,在不同的設計階段,將上文提到的軟件對號入座,幫助讀者取得比較感性的認識。

1.概念設計階段

這一階段主要有三個方面的內容。

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,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,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。

應用建議

綜上所述,國內市場上的CAE軟件非常豐富,企業采購軟件需要根據自己的實際情況。在發展的初期階段,由于各方面條件還不太完善,資金經費相對較為緊張,因此不可能面面俱到,一次引進所有的應用系統,應有計劃、有目標、分階段地引進。

軟件引進一定要根據具體情況量力而行,減少盲目性。在產品開發初期階段,采購軟件實際上是為了解決生產問題,并為緊接著的設計改型作前期準備,該階段可以找一些項目咨詢公司合作開發,以減少前期投入。

先進的分析設計軟件只是開發設計的一個必要手段,最為關鍵的因素還是人。凡是一流的企業無不擁有一只具有豐富實踐經驗、學科齊全、富有挑戰和創造意識的人才隊伍。軟件好買,人才難尋。因此在引進技術的同時,就要注重人才的培養,一方面可通過消化吸收,在實際設計生產中鍛煉隊伍,另一方面在國內外廣招人才,既可將有經驗的人才引進來,也可將企業的人才送出去,學習經驗技術,在用人政策上加大傾斜力度。

總之,引進現成的技術也好,合資合作也好,歸根結底是要借鑒別人先進的技術成果,盡早轉變為自己的東西。否則只能跟在別人后面跑,永遠成不了大器,更談不上發展自己的民族產業。

作者:ICAD

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