CAE技术及软件简介

2013-06-07 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

CAE技术是在上世纪50年代随着计算机技术的发展而发展起来的一种技术,到目前为止,其技术发展主要已经有五代了,其应用范围、领域及结果的准确性已经达到很高的程度,在各种设计领域里面大展身手;而随着计算机软硬件技术的发展,CAE技术也从军工、国防等领域逐渐转向民用领域的应用。近几年,国内随着设计需求和创新需求及外部环境的变化,CAE技术也逐渐的在各个领域得以应用,为设计的准确性、可靠性贡献了很大的力量。
王毅来源:e-works
关键字:CAE 简介系统构成分类

一、CAE技术简介
1.1 CAE的基本概念
CAE:Computer Aided Engineering的中文翻译,一般为计算机辅助工程或者用计算机进行辅助设计,还有人称之为计算机辅助分析等。下面是对CAE概念的一些定义:
CAE是对各种各样的物理现象进行仿真的计算机应用技术之一;
CAE是一种工具,它能对各种形式的方案用计算机模拟来进行校核,并提出最优设计方案;
CAE是一种用计算机来对设计的产品或零件的性能,功能和安全性进行仿真的技术。

从CAE技术发展来看,主要有3种技术:
A 有限元法(Finite Element Method)
B 边界元法(Boundary Element Method)
C 差分法(Finite Difference Method)
目前应用最多、最广的为有限元法,所以有些人称CAE为有限元分析,有限元法通常也称之为:FEM (Finite Element Method)法,有限元分析通常称之为:FEA(Finite Element Ansys)。
1.3 CAE的应用领域

现在CAE技术的应用范围很广泛,几乎覆盖了设计领域的各个方面;
大型通用有限元软件能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、(噪)声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、磁场、流体动力学、惯性释放及结构优化和可靠性设计等问题。
对制造领域而言,目前的专业软件能够解决金属制造过程,如铸造、锻压、挤压、冲压、切削等问题,对塑胶类可以进行模流分析、粉末冶金等等。
1.4 CAE的作用

从理论上对“设计”进行可行性的验证,在物理样机试验之前发现缺陷,从而优化设计方案;并对物理试验进行理论指导。
它的作用是:通过分析,发现理论缺陷,并及时更正设计,由于不需要进行物理样机制造,计算速度快,并排除掉大部分的不可靠的设计方案,所以可以减少设计失误、提高产品设计的质量、缩短开发周期、降低开发费用。

1.5 CAE在制造性设计流程中的应用

目前的CAE技术的应用从早期的设计后期的测试阶段,转移到设计前期的零件设计阶段。在零件设计阶段就引入CAE技术,是近几年CAE发展的应用热点。
二、CAE系统构成简介
CAE 系统由硬件系统和软件系统两部分构成:
硬件系统:
普通PC、计算服务器、超级计算机;
软件系统:
CAE程序(如Ansys、Patran、Marc等)
一般来说,CAE软件系统是由3部分构成的:即由前处理部分,后处理部分,以及求解器部分3部分组成。
前处理:生成分析所需要的几何形状,设置材料及载荷条件,边界条件等,并生成计算文件供求解器使用。
求解器:把前处理生成的计算文件进行计算,此阶段基本不需要人工参与,由计算机自动运行,计算时间跟计算规模和硬件系统有关。
后处理:显示求解器的计算结果,并导入或导出相关的数据。
三、CAE软件分类
CAE按照不同的分类方式,可以有多种分类,下面重点介绍以下几类:
3.1 按照软件系统构成分类:
市场上销售的CAE软件中,具有以下3种类型:
(1)具有前后处理两方面功能的专用软件;(Patran、Marc. Mentent、HyperWorks等)
(2)只具备求解功能的软件;(Marc、Ls-Dyna、Nastran等)
(3)前后处理和求解器连为一体的软件。(Deform、Cosmos、Abaqus、Ansys等)
3.2 按照软件的求解范围分类:
CAE软件按照求解范围可以分为两类,一类是大型通用有限元软件,另一类是专用有限元软件。
大型通用结构有限元软件:
Nastran、Ansys、MARC、LS-DYNA、NX-Nastran(UGS)、cosmos(Solidworks)等。
某个领域的专用有限元程序:
PAM-STAMP(冲压)、Deform(锻压、挤压)、Simufact.Forming(锻压、挤压)、Dynaform(冲压)、MoldFlow(模流分析)等等。
四、CAD系统中直接应用的CAE软件简介
随着计算机技术的发展和设计要求的变化,以及CAE软件的易用性越来越好,CAE技术从刚开始的专业人员手中,逐渐的走到普通的设计人员手中,分析的流程也从设计后期的验证转移到设计前期或者设计过程中的应用。
近几年,随着简化分析流程需求的增加,在CAD系统中直接应用CAE软件,而不需要频繁的将模型进行转换或者处理要求,大部分主流的3D设计软件都增加了自己的分析模块或者配合了分析模块。
CATIA V5平台中,有自己的通用结构分析软件,也可以和其他的第三方的分析软件集成应用,如MSC.Nastran、ABAQUS、PAM-STAMP等等多家公司的产品都有和CATIA集成。
UGS-NX:UG-NX有自己的通用结构有限元软件NX-Nastran;(这里要解释一下MSC.Nastran和NX-Nastran的区别,MSC.Nastran当年因为垄断了美国的通用结构有限元市场,违反了美国的反垄断法,所以将“全部”的源代码给到了UGS,UGS在其基础之上及后来收购的I-DEARS开发了NX-Nastran,从求解精度上说,两者目前的差距是巨大的,MSC公司为专业的有限元软件公司,目前的CAE市场份额全球第一)NX平台上还有其他的一些专业的CAE软件也可以在其上应用,这里就不一一举例了。
Solidworks:SolidWorks是目前少数几个拥有自己的CAE产品的CAD软件供应商,其CAE产品为SolidWorks Simulation,主要有三部分:
SolidWorks Simulation 为大型通用结构有限元分析软件。
SolidWorks Motion 为运动仿真软件,求解器为MSC公司的Adams。
SolidWorks Flow Simulation 为流体分析软件。
由于Solidworks的开放性很高,现在也有一些其他的专用有限元软件可以直接集成在SolidWorks环境里直接应用,如:BlankWorks、MoldFlow等。