计算机辅助工程（CAE）技术综述

2013-04-16何春俐

机械管理开发 2013年1期

何春俐

（黑龙江省佳木斯大学附属第二医院，黑龙江佳木斯 154002）

0 引言

CAE（计算机辅助工程）的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确；另一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步[1]。

1 CA E技术概述

计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineer⁃ing)，泛指包括分析、计算和仿真在内的一切研发活动。传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于计算力学的有限元分析技术。制造工程协会SAE将计算机辅助工程(CAE)作为CIM技术构成进行如下定义：分析设计和进行运行仿真，以决定它的性能特征和对设计规则的遵循程度[2]。

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、数字仿真技术、计算数学、结构动力学、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。在近20年来市场需求的推动下，CAE技术有了长足的发展，它作为一项跨学科的数值模拟分析技术，不断地受到科技界和工程界的重视。21世纪，随着计算机技术向更高速和更小型化的发展，分析软件的不断开发和完善以及网络通讯的普及，CAE技术的应用将越来越广泛并成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志。

2 CA E技术的应用

2.1 汽车制造业中的应用

CAE在汽车设计行业中的应用最多的。车身方面，可进行车身结构动态、静态有限元分析，车身外型空气动力学计算机模拟，车身噪声分析；发动机方面可进行其性能的计算机估计，燃烧过程的计算机模拟，冷却、传热的有限元分析、缸体等结构的有限元强度分析；在底盘方面，可进行车架有限元分析，悬架机构有限元分析，变速器、传动轴及车桥等结构强度的有限元分析；整车方面，可进行汽车平顺性，操纵稳定性的计算机模拟及撞车的有限元模拟。通过采用CAE技术，极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。

2.2 飞机制造业中的应用

采用CAE技术以后，可以在设计阶段就通过仿真系统模拟飞机的性能，从而在设计阶段就可以对方案进行优化，其计算数据也可以用来指导试验，大大节约了研发的周期和成本。

2.3 模具制造行业中的应用

在模具设计工序中进行CAE是为了寻求在冲压加工中常常发生的不良变形、开裂、起皱等的解决对策，同时通过CAE的有限元法分析模具工作面周围的结构，减轻模具结构的总重量，增加刚性分析冲压过程中模具各部的发热情况以便于模架结构设计时合理分布冷却水管，延长模具耐用度。分析注塑模的注塑过程的材料流动情况使材料流动更合理，更好解决材料收缩的问题；分析三维图形数据是否正确，核对图形，分析曲面形状的曲率变化情况，把分析的结果反馈给CAD阶段使之外观更美观、工件更容易成形[3]。

2.4 板材加工成型中的应用

板料成形从力学角度而言，是一个包括几何、材料、边界等强非线性问题的、非常复杂的力学过程，以往人们求解多以解析法实现其误差甚大。近年来，板料成形的计算机模拟和分析在产品设计制造中发挥着越来越重要的作用。其中主要涉及单元技术及网格划分、本构关系、算法的选择、接触缺陷处理等关键技术以及仿真与集成等应用方法。

2.5 其他行业中的应用

随着CAE技术的不断成熟和CAE软件向高性能方面的发展，CAE技术的应用范围不断扩大，不仅在机械制造业得到了广泛的使用，在其他领域，如生物医学、冶金、建筑桥梁、电子产品制造以及日用消费品的制造中都得到了应用。著名体育用品厂商耐克公司，在高级旅游鞋的受力结构研究设计中，就是采用有限元分析技术在保证鞋体受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量。

3 CA E技术的发展趋势

1）设计数据、设计模型、专家经验的过程化、修改/升级模板和通用化。以进一步改善和提高设计效率。

2）创建大规模渐进结构的设计平台，以减少或避免产品开发和设计过程的中断，保证过程延续性。

3）降低对不同的个别的CAE工具软件的依赖性，提供零文本编辑的用户界面，加上智能化，以最大程度方便各种水平的用户。

4）CAE软件面向对象的工程数据库及其管理系统，高性能价格比的大容量存贮器及其高速存取技术在迅速发展，PC机的硬盘容量很快将有GB量级达到TB量级，用户将要求更多的计算模型、标准规范、设计方案和知识性信息纳入CAE软件的数据库中，这必将推动CAE软件数据库及其数据管理技术的发展，高性能的面向对象的工程数据库及其管理系统将会出现在新一代的CAE软件中[4]。