CAE软件在工程应用中的一些关键问题
摘 要：本文介绍了CAE软件的发展现状，论述了CAE软件在工程应用中存在的一些关键问题，并指明了处理这些关键问题的基本方法和工程应用的基本步骤，对CAE软件成功解决工程问题具有一定的指导意义。
关键词：CAE软件 工程应用 模型校准 检验结果 误差 可信度
一、CAE发展现状
CAE是计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）的简称，主要是利用计算机软件对工程或产品进行性能分析计算以及优化设计，求解问题的本质是一种近似数值分析方法。CAE从60年代至今，已经历了50多年的发展，其理论和算法都日趋成熟，并且随着计算机技术的发展和计算性能不断提高，CAE软件的功能和计算精度也都有很大提高，现已广泛应用在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域，成为工程和產品结构性能分析及优化设计中必不可少工具之一，应用好CAE软件，具有光明的前景，必将为企业争取巨大的经济效益。然而，要使CAE软件在工程实践中成功应用，使其真正成为最具生产力的工具，依然存在如下一些关键问题。
二、CAE软件计算误差及可信度问题
CAE软件是一个黑盒子，利用CAE软件解决工程问题，软件使用者对于数据流向并不清楚，也不清楚CAE的内部运作方式。因此，CAE软件要想在工程中得到广泛的应用，必须克服两大难点：误差与可信性。如何最大限度的发挥当前软件的计算性能，减小计算误差及提高结果的可信度，是每一个从事CAE工程应用的人必须注意的问题。
计算误差与可信度主要由以下原因产生。
1.物理模型。现在CAE软件都集成了很多物理模型，其中很多模型参数都是一些半经验或经验参数，并不一定会适应自己的模型。要合理地选择模型，很大程度上依赖与使用者的理论功底和对问题的认识程度，而且很多模型参数的获取是一件非常困难的事情，通常需要通过实验获取。
2.几何模型。在CAE软件进行计算分析前，需要使用前处理器进行几何建模。几何建模时为了抓住问题的主要因素及计算机资源的节省，往往需要简化模型，需要特别注意的是对结构影响较大的敏感位置，即便尺寸很小仍然是不能简化的，例如研究透平机械流场问题时的叶顶间隙、研究动力机械振动问题时的轴承挡肩位置等。
3.计算方法。一般来说，高阶算法的精度要高于低阶精度。但是收敛性却相反，采用高阶算法要比低阶算法收敛更困难一些。在一些高速流动情况中，采用迎风格式比中心差分格式能更好的收敛，在扩散占优的流动中则相反。以FLUENT为例，其具有一阶迎风格式与二阶迎风格式、幂律格式、QUICK格式以及三阶MUSCL格式。通常一阶迎风格式用于初步求解，较少用于最终计算结果的获得。QUICK格式在结构网格中具有三阶精度且收敛性较好，但是在非结构网格中只有二阶精度。二阶迎风格式在实际工程中用得非常多。三阶MUSCL格式用得较少，收敛性不是很好。
4.边界条件。边界条件会对计算结果产生本质影响。也就是说，不确切的边界条件会导致不确切的计算结果，错误的边界条件一定得不到正确的结果。
5.网格质量。当前，CAE计算结果依然依赖于网格质量，网格划分的目的是为了获取离散位置的物理量，但是精细化的网格并不意味着好的网格质量。因为由于计算机精度的限制，网格尺寸缩小会增加舍入误差，也就是说，计算精度随着网格数量的增多反而不断降低，同时，网格尺寸的减小会增加计算资源的消耗。因此，在进行计算中，常常要进行网格独立性验证，当计算结果具有以下特征时：（1）物理真实；（2）对于项目来讲足够精确，则说明网格质量满足计算要求。
三、计算结果的验证问题
前文提到实验是CAE计算结果最可靠最有效的验证手段，但是存在一个很大问题，即实验过程中的参数很难与计算输入的参数完全吻合。对于实际工程问题，采用实验有时候是唯一的验证手段。一般来说，数值计算结果再工程上与实验结果误差在10%以内是被允许的。在数值计算结果与实验数据存在很大差异时，则需要进行以下一些步骤的检查：
1.检查几何模型。分析是否忽略了关键几何特征、检查边界位置是否合适。很多时候边界位置设得不合适，可能会导致计算振荡，不收敛等情况发生。
2.检查物理模型。是否选用了不合适的模型。每一种模型都有一定的使用范围，使用者需要对这些使用限制有深刻的认识才能更好的进行选择。例如FLUENT中，湍流模型有很多，标准K-E模型适合一般的工程流动问题，但是对于强旋流误差较大，RNG K-E模型适合旋转流动湍流计算，SA模型适合航空外流计算，K-W适合边界层计算，雷诺模型适合各向异性湍流的计算，但是计算量大不易收敛。因此在进行选择需要仔细的考虑选择的模型是否适合自己的问题，一旦模型选择错误，轻则造成大的误差，重则不收敛计算出错。
3.检查是否忽略了不该忽略的物理现象。例如计算复杂几何模型时出现大的负压区，是否需要考虑空化。计算高压气体时，是否考虑可压缩性，是否考虑粘性热。还有一些情况下，是否考虑蒸发、冷凝等相变情况。有时候这些物理现象会导致计算的不收敛乃至计算错误。
4.优化网格。网格质量始终是CAE工程师们的努力内容。好的网格质量能够增强收敛、提高计算精度、减少计算时间。
5.边界条件检查。总之，虽然CAE的输入输出较为简单，但是要想得到比较好的计算结果实际上是相当的困难的，不但需要良好的实验设备的支持，更需要使用者拥有深厚的理论功底。在当前，很多高校的学生都加入了CAE计算这个行业，有很多理论基础薄弱，在应用CAE过程中出现了很多的问题，使工程上造成灾难。
四、CAE软件的工程应用方法
CAE软件的分析结果真实可信依赖于理论的进步、计算方法的发展及计算机性能的不断提高，而目前CAE软件的工程应用一般包括六个基本步骤：（1）认识并理解问题。问题解决最困难的部分可能要属精确认识和定义问题的能力。在设计过程的开始和将工程和方法应用于整个问题的各部分时即是如此。在许多要解决的学术问题中，这一步由教师完成。（2）收集数据并验证准确性。必须确定所有相关的物理因素，如尺寸、温度、电压、电流、成本、浓度、重量、次数等。一些问题要求同时完成步骤（1）与（2）。（3）选择合适的理论或原理。选择合适的理论或科学原理应用于问题的解决方案；理解并确定应用于所选理论的限制和约束。（4）进行必要的假设。实际问题的完美解决方案并不存在。如果要解决实际问题，需要对问题进行简化。（5）解决问题。如果步骤（3）与步骤（4）能得到数学方程式（模型），虽然反复试验的解决方案会使用计算机或有时还会采用图形解决方案的形式，但通常可以通过应用数学理论来解决问题。结果通常是采用合理单元的数值形式。（6）验证并检验结果。
五、结语
本文对CAE软件的使用、误差与可信度、计算结果的验证等CAE软件工程应用中的关键问题进行了论述，并列明了CAE软件指导工程实践基本步骤。由于CAE技术具备较多的技术优势，且随着计算机技术的发展，CAE技术的应用将会越来越广泛。同时需要CAE工作者的不断努力研究，才有可能将CAE更好的应用于工程中，更好的让CAE指导产品设计。
参考文献：
[1]《计算流体力学—从实践中学习》屠基元等著 王晓冬译[M].东北大学出版社，2006.
[2]《工程学原理及问题求解》Arivid R. Eide著，唐玲艳译 清华大学出版社， 2009.
[3]《数值计算方法》吕同富 康兆敏 方秀男著，清华大学出版社，2008.
[4]《计算机辅助工程CAE的现状和未来》崔俊芝著，中国工程院，2012.
作者简介：焦华勇（1986—），男，毕业于河南理工大学，助理工程师，现从事电机设计及流场分析工作。