CAE软件在制造业的应用分析

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　　一、引言
　　CAE(计算机辅助工程分析)主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。由于目前在国内有限元法应用最为广泛，故此在这里主要介绍有限元类软件在国内的应用，其他一些软件不做过多的阐述。
　　作为20世纪中期兴起的技术手段，有限元技术随着计算机技术的迅猛发展，得到了飞速的发展和广泛的应用。基于有限元技术，已经在国际上形成了数百亿规模的市场，而主要的有限元厂商则包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的专业分析软件则不胜枚举。
　　随着有限元技术的发展，国内原有的有限元应用体系正在发生着深刻的变化。早在80年代初期，国内就已经形成了一批以高校和研究院所为重点的有限元技术研究、开发、应用体系。早期北大袁明武老师应用的SAP，在当时国内引起了广泛的影响。在此背景下，国内的学者相继开发了多套有限元程序，例如大连理工的JIFEX、郑州机械研究所的紫瑞、北京农机学院的有限元分析系统，以及计算所梁国平老师的FEPG。而这些软件由于各自的一些原因，虽然在国内产生了一定的影响，但都没能在企业界得到广泛的应用。随着90年代国外大型商业软件进入国门，掀起了第二次有限元应用的浪潮。由于国内高校在有限元技术方面具备一定的研发和应用基础，因而成为了应用初期阶段的主力军。
　　近几年来，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大企业所认可，第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技术不再仅仅停留在高校中，而是更多的走向了企业。同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。
　　二、应用状况
　　目前，CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业，在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。
　　目前，国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛的应用。由于有限元技术的特点，使得前处理成为了一个相对独立，而又十分重要的部分。一些大型企业都采用了适应自己需求的前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好的接口，可与众多的有限元求解软件相结合，以便用户更快、更方便地解算问题。
　　求解软件可以说是琳琅满目，通常的求解软件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。这些软件都有着各自的特点，在行业内，一般将其分为线性分析软件和非线性软件，例如ANSYS、ALGOR都在线性分析方面具有自己的优势，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则在非线性分析方面各具特点，其中ABAQUS被认为是最优秀的非线性求解软件。
　　近年来，分析软件正朝着多物理场的方向发展。大家可以通过业内一些公司的举动感受到这一点，例如，ANSYS公司收购CFX流体软件，并加强与EMSS公司的合作，不断加强其多物理场耦合的功能。在这里需要提到的是，由于历史原因，ALGOR继承了SAP的模块化思想，在多物理场分析方面也有很好的应用;同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发，因此另外还有一些软件在这方面有着良好的应用，比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB，又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。
　　此外，专用有限元软件受其应用领域的限制，只能在各自的行业领域得到应用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件，可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，进而提高铸造质量。又如，法国ESI公司的ProCAST，其与MAGMA是竞争关系，软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统，也得到了国内很多企业的认可。
　　在板材成型行业里，有AUTOFORM系列软件，该软件单元架构基于膜单元形式，因此其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外，来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联，因此以上这些软件都注重与CAD软件的接口，基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口，软件的使用操作也都比较方便。
　　另外，在汽车行业应用中，经常要对整车进行机械动力学仿真，在这一领域中，国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块专为汽车动力学仿真而设计，使用十分方便。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG，VPG(Virtual Proving Ground)虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验，在LD-DANA平台上开发的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的专门应用于汽车工程的软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中的重点——整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题。
　　另外市场上还有一些专业软件，例如，LMS公司的噪音分析软件SYSNOISE，MSC公司的疲劳分析软件MSC/Fatigue，nCode公司的Fatigue，奥地利MAGMA公司的热疲劳分析软件FEMFT等。
　　三、应用展望
　　下面笔者将按照一般的产品设计流程，在不同的设计阶段，将上文提到的软件对号入座，帮助读者取得比较感性的认识。
　　1.概念设计阶段
　　这一阶段主要有三个方面的内容。
　　1)市场调研;
　　2)技术设计，包括各种方案的计算机效果模拟和分析仿真论证;
　　3)评估、准备相关生产设施。
　　这一阶段主要进行较为详细的、带有一定目标性的预演，大企业可以利用一些大型通用非线性CAE软件来帮助制定方案，比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企业可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等软件完成这部分工作。
　　2.详细设计阶段
　　在概念设计完成以后，紧接着就是详细设计。这一阶段要绘制各种零部件图样，确定彼此间的装配关系，评估产品的性能(结构强度、刚度、动力特性和生产性等)。
　　该阶段需要操作简单、使用方便的CAE软件，以便用最少的时间完成评估工作。这类软件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等，这些软件有着良好的数据接口和网格自动生成功能，使用方便、快捷，对使用者的要求较低。在该阶段的尾期，也可以用一些非线性求解器做进一步的验证。
　　3.样机制造阶段
　　根据详细设计提供的模型或数据完成试验样机的加工制造。该阶段是生产阶段，所以较少使用CAE软件，但可以用一些专业软件，如铸造分析软件、板料成形软件来指导生产。
　　4.产品测试评估阶段
　　这一阶段主要是利用各种测试和评估手段对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性做出全面真实的评价，从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。在该阶段，主要使用一些非线性分析功能强的软件，以及一些多场耦合软件，如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此阶段还可以使用一些机械动力学仿真软件、疲劳分析软件，来最终评估整装后的产品性能。
　　四、应用建议
　　综上所述，国内市场上的CAE软件非常丰富，企业采购软件需要根据自己的实际情况。在发展的初期阶段，由于各方面条件还不太完善，资金经费相对较为紧张，因此不可能面面俱到，一次引进所有的应用系统，应有计划、有目标、分阶段地引进。


来源：CAE技术联盟