一、簡述CAE應用

CAE分析是利用虛擬分析方法對結構(場)的性能進行模擬(仿真),猜測結構(場)的性能,優化結構(場)的設計,為產品研發提供指南,為解決實際工程題目提供依據。

有限元分析(FEA)是以計算機為工具的數值計算分析方法。有限元分析是CAE的重要組成部分,CAE的應用首先是從有限元分析開始的。1965年,美國的大型通用有限元分析程序MSC.NASTRAN首先應用于航空航天。1975年,國內開始舉辦有限元學習班。1980年,美國的有限元結構分析程序SAP5引進我國,有限元分析開始在我國推廣,逐漸成為產品研發的重要工具。有限元分析在優化結構設計、進步產品質量、減少試驗樣品、縮短產品研發周期、降低產品本錢等方面發揮了巨大作用,取得了明顯的經濟效益。

有限元分析應用的發展與計算機軟件和硬件的發展密切相關。在有限元分析應用的初期,有限元分析程序沒有前、后處理的功能,后來有限元分析有了前、后處理,其功能也在不斷完善。在有限元分析沒有前、后處理功能的情況下,有限元分析模型的建立和計算結果的整理都是由人工完成的。

從1995年開始,國際上先進的三維計算機輔助設計(CAD)軟件(UG,PRO/E等) ,和具有前、后處理功能的大型通用有限元分析程序( MSC.NASTRAN ,ANSYS 等)先后引進我國,設計職員實現了從二維制圖到三維設計的轉變。有限元分析職員可以在結構件的三維實體幾何圖形上比較方便地用前處理劃分網格,建立有限元模型,在計算機求解完成后用后處理顯示計算結果,計算結果的可視化(動畫顯示)使計算結果一目了然。有限元分析和前、后處理功能不斷發展和完善,越來越自動化和智能化,有限元分析計算結果的精度也在不斷進步。

以前計算機硬件落后、資源有限,有限元分析只好采用超單元和子結構的方法對大題目進行分析。由于計算機的硬件在不斷更新換代,以前的計算機已被淘汰,有限元分析已開始廣泛使用新的高檔微機、工作站、服務器或巨型機。現在,有限元分析已經很少采用超單元和子結構的分析方法,而是經常采用一個模型多用的方法,對有幾十萬個結點規模的題目進行分析已經是輕而易舉的事情。

在有限元分析廣泛應用的同時,各廠礦企業、高等院校和科研單位等有關部分也開展了C4P(CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM)的工作,建立了計算機集成制造系統(CIMS)。國際上先進的多剛體動力學分析軟件ADAMS、空氣動力學(CFD)分析軟件FLUENT、用于碰撞分析的LS-DYNA軟件、用于振動噪聲(NVH)分析的LMS軟件、用于系統過程集成及優化分析的軟件OPTIMUS等也在我國逐漸廣泛應用起來。產品研發實現了從經驗設計到計算機輔助設計的轉變。人們實現了多年的夢想,CAE與CAD同步,CAE指導CAD,CAE為CAD提供依據。現在,CAE已廣泛用于航空航天、電子電器、機械制造、材料工程、汽車、鐵道、造船、水力、土木工程、醫療器械、石油化工、核能、鋼鐵冶金、電力、地礦、一般產業、日常生活用品、教學和科研等各個領域。

二、CAE在汽車產品研發領域中的應用

在汽車產品研發的整個過程中,CAE分析可以對汽車結構的強度、剛度、車輛的振動噪聲(NVH)、舒適性(平順性)、耐久性、多剛體動力學、碰撞、乘員的安全性,以及動力總成(發動機和變速箱)的性能等方面進行模擬(仿真)分析、猜測結構(場)的性能、判定設計的公道性、優化結構設計。此外,用CAE還可以對沖壓成型、鑄造和鑄造的工藝過程進行模擬分析,優化結構設計,解決產品質量題目。

由于汽車在批量生產以后改進設計的本錢明顯地高于汽車在研發初期改進設計的本錢,CAE的模擬分析主要應用在工藝設備、模具和樣車制造之前,也就是從汽車產品研發初期就開始用CAE進行模擬分析,及時發現產品設計中的隱患,優化結構設計,進步產品質量,使汽車滿足國家的法規和用戶的需求。通過CAE 的優化分析,有關部分可以只對一種較優的設計方案進行試制和試驗,減少試制用度,縮短新產品的研發周期,使新產品早日投進市場,增強企業的競爭力。在汽車產品批量生產以后,CAE分析主要用于解決汽車在使用過程中發生的質量題目。CAE、CAD和試驗分析相結合,明顯地進步了汽車產品研發的水平。盡管現在車輛的道路試驗和用戶使用仍然是評價車輛性能唯一有效的途徑,但是CAE的終極目標是用虛擬樣車的分析完全代替車輛試驗。固然目前還沒有實現,但這是努力的方向。

三、CAE分析能力的形成

a. 實現三維CAD,根據要分析的題目選擇合適的CAE分析軟件;

b. CAE和CAD數據傳遞一體化, 實現設計和分析同步;

c. 形成設計標準和試驗規范;

d. 通過CAE分析的典型算例與試驗結果的比較,形成CAE分析指南;

e. 建立數據庫;

f. 培養一定數目的CAE分析職員;

g. 將常規的CAE分析項目納進產品研發程序,將CAE分析報告作為鑒定新產品研發成果的依據。

4.CAE分析時應留意的題目

a. 將實際工程題目轉化為力學題目要正確。

b. 分析對象的選取、載荷工況和施加載荷的確定、邊界條件(位移約束條件)的確定、結構的剛度和質量、載荷傳遞路徑和應力集中等題目的處理是CAE 分析的關鍵。

c. CAE模型的建立是在對分析對象進行力學定性分析之后進行的。

d. 在解決實際工程題目時要區分靜強度破壞、疲憊破壞和振動耦合破壞。由于結構破壞的原因不同,解決題目的方法也不同。

e. 在分析汽車結構件疲憊題目時,不能用材料的應力(S)-疲憊壽命(N)曲線,必須用結構件的載荷(P)-疲憊壽命(N)曲線。

f. 在一般情況下,建立的有限元模型與分析目的有關。根據分析目的建立的專用有限元模型不宜提供分析目的以外的正確信息,建議在提出分析目的時要一次性說明。很多公司和企業有時也采用一個有限元模型多用的方法,這要根據具體情況靈活把握。

g. 應熟悉到建立CAE分析指南對CAE分析的重要性。在建立CAE分析指南之后,就可以減少試驗分析的次數。 在沒有CAE分析指南的情況下,千萬不要以為有了初步計算結果后CAE分析就是正確的。應該熟悉到CAE分析模型的正確性和計算結果的公道性必須用力學分析(理論)、分析經驗、試驗分析和實際使用情況進行判定。

h. CAE 分析的主要目的是優化設計、通過多方案比較和設計優化分析選擇較優的設計方案。在一般情況下,不用CAE的計算結果評價結構“行”還是“不行”。

i. 關于試驗驗證題目,應熟悉到試驗分析和CAE分析都存在誤差,二者是互相驗證的關系。試驗分析的結果和CAE分析的結果(至少在規律方面)應該基本相同,不能有明顯差異,數值誤差應在答應的范圍之內。

五、如何提高CAE的應用水平

如何做好CAE分析,也就是如何用CAE分析的結果指導產品研發(設計),這是極為重要的。

關于CAE分析,表明上看起來簡單,事實上是有很大科技含量的一項辛勞工作。在一些情況下,找出分析對象的載荷和邊界條件是非常困難的,要對分析對象的使用情況進行仔細的觀察和分析,最后還要對計算結果進行分析和確認,不是像有人說的那樣做CAE分析很輕易,所謂一按電鈕,計算結果就出來了。看別人CAE分析輕易,自己做起來就不一定輕易。CAE分析進門輕易,但做好分析就不輕易了。國內外的很多實例表明,CAE分析職員責任重大,做好CAE分析就能給公司和企業帶來輝煌,做不好CAE分析就會誤導設計,給公司和企業帶來損失。

學好CAE分析,60%在于理論,40%在于經驗。建議CAE分析職員努力學習力學和有關專業的基本理論,在工作中對CAE分析產生愛好和激情,在思考中產生靈感和聰明,在分析題目時積極動腦筋,對每個數據認真負責。從學習到理解、從升華到創新,將日積月累的分析技巧和經驗理性化、規范化,用來指導以后的工作。發揮設計部分、分析部分和試驗部分的團隊精神,不斷研究設計方法、進步CAE分析和試驗分析的綜合應用能力。