浅谈CAE技术现状及发展趋势

摘 要:本文阐述了CAE技术的发展历程、功能作用、面临的挑战以及发展趋势。

关键词:CAE发展历程功能挑战

中图分类号:TP391.7文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(c)-0017-01

CAE是一种在二维或是三维几何形体CAD的基础上,运用有限元(FE)\边界元(BE)、混合元(ME)、刚性元(RE)、优先差分和最优化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。其核心技术为有限元与最优化技术。

1 CAE技术的发展历程

世纪60年代,CAE技术处于探索时期。因为当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点,其分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问。

70～80年代是CAE技术蓬勃发展时期。这一时期的CAE发展的特点:软件主要集中在计算精度、速度和硬件平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。

90年代是CAE技术成熟壮大阶段。这一时期的CAE软件一方面与CAD软件紧密结合,另一方面扩展CAE本身的功能。并将有限元技术与实验技术有机地结合起来,开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。

经过了50多年的洗礼CAE技术已经逐步走向成熟,现今CAE技术作为一门新兴的学科走进了大学也成为各大企业在设计新产品的过程中必不可少的一环。

随着新技术的发展CAE软件与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起,已经成为支持工程行业和制造企业信息化地主导技术,在提高工程/产品的设计质量、降低研究开发成本,缩短开发周期方面都发挥了巨大的作用。但对于CAE技术的用户企业和提供商而言,CAE技术仍然面临着使用复杂,工程师理论知识缺乏,缺少经验以及计算机硬件与软件结合等诸多问题

2 CAE技术的功能和作用

(1)采用各种优化技术,找出产品的最佳设计方案。

(2)模拟各种实验方案,减少实验时间,缩短设计周期,降低开发成本。

(3)在产品投入生产前预先发现潜在的设计问题。

(4)CAE所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个使用周期内的可靠性,甚至产品与差品、产品与环境之间的相容性。

(5)应用数学模型,借助计算机分析计算,确保产品设计的合理性和设计指标的准确性。

3 CAE技术的框架

3.1 有限元技术的发展

经过60多年的发展,有限元软件在功能、性能、使用上均达到了比较高的水平。在功能上,影响软件的前处理器可以调用CAD中的几何模型,可以便捷地实现网格划分及自动划分,灵活地施加各类便捷条件,定义材料特性,设置不同的计算工况,对特殊问题实现用户子程序的调用等;求解器带有适合不同问题的求解算法;后处理器可给出所需要的可视化的技术结果。性能上,可完成线性于非线性问题、静力与动力问题、多材料、各类边界条件、类工程问题的求解。

3.2 结构优化技术的发展

随着计算机技术的发展,工程优化设计软件规模不断扩大,从最初的十几个变量发展上万个变量,从最初的结构尺寸参数优化,到现今的结构形状优化等。目前具有结构优化功能的软件有十多种;如专用的结构优化设计软件SAPOP、ASTROS、OASIS等,其中拥有我国自主版权的DDDU;而在有限元分析软件中带有优化设计功能的软件有ANSYS、MSC.NASTRAN等,还有与CAD相集成的优化设计软件MSC.VisuaINastran等。

3.3 工程结构动态仿真的发展

在CAD造型设计的基础上形成了工程结构的动态仿真,在这方面已推出的软件有ADAMS和WorkingModel等,它们是通用的机械结构仿真软件。ADAMS提供了模拟实际系统运动和动力过程的仿真环境,可以全面地仿真实际制造活动中的结构、信息及制造过程,该软件包括十几个分析模块。

4 CAE技术面临的挑战

4.1 CAE软件不易操作性

CAE技术当前最直接的挑战是软件的不易操作性。这关乎到CAE软件能否在各个企业普及的关键因素

CAE技术分为软件操作和理论知识。传统的CAE软件在操作上比较复杂,更需要经验的积累,同时CAE技术还涉及到大量的数值计算和力学问题,导致CAE软件长期得不到普及使用。

4.2 高性能计算

计算机技术的飞速发展带动了CAE技术的发展步伐,而仿真技术如何跟上计算机更见技术的发展。多如CPU、GPU、工作站等硬件技术的发展迅速为CAE技术提供了一个非常坚实的后盾。充分利用多核CPU、HPC、并行计算等新兴技术提供虚拟仿真的分析效率、减少计算时间,将会是CAE技术一个非常重要的发展方向。

为了跟上计算机硬件告诉发展的步伐,新型的高精度和高效率并行算法正被研究,一些实用的新算法将不断问世。而新的算法在对复杂的工程或是产品的仿真时,能够充分的发挥超级并行计算系统的软、硬件资源、高效率和高精度地获得计算结果。

但是,计算速度与计算精度之间存在的矛盾是难以融合的,想要提高计算速度就必然要以牺牲精度为代价,这不仅仅是软件、硬件所能够解决的问题,说回来还是需要CAE工程师能够在仿真过程中有足够的分析经验和判断能力,在计算速度与计算精度之间调节出一个最为适合企业应用的方案。

4.3 CAD/CAE软件一体化

CAD与CAE技术的相互融合相互渗透已经成为企业用户一种自身的有效需求。在新型CAD/CAE设计分析一体化技术产品的帮助下工业化研究、设计实现了从经验设计到计算机辅助设计的转变。而CAD/CAE一体化技术的出现,也使得工业流程得到了缩减研究,设计过程基本融合,可大大缩短产品周期,提高产品质量。

目前设计分析一体化是所有CAD公司的主要目标,其核心意图就是为了实现在设计过程中充分考虑产品的性能和优化,提升产品质量和改善产品性能。而CAD/CAE技术紧密结合在一起则已经成为了CAE技术的一个非常重要的发展方向。

5 CAE技术的发展趋势

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

(2)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,辅之以智能化,以最大程度地方便各种水平的用户。

(3)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。

(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机地硬盘容量很快将有GB量级达到TB量级,用户将要求更多的计算模型、设计方案、标准规范和知识性信息纳入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。

参考文献

[1]张博林,黄勇.基于Pro/TOOLKIT的CAD/CAE集成的研究.制造技术于机床,2006.

[2]张军,张建国,郅强,等.加强CAE技术在产品设计中的应用.煤矿机械,2009.

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