綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

1、綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用引言CAE計(jì)算機(jī)輔助工程）的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算 機(jī)仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無(wú)法分析的復(fù)雜問題，通 過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答；另一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的T程分析問題簡(jiǎn)單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程 分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí) cAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān) 的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。1概論CA技術(shù)1. 1 CAE技術(shù)簡(jiǎn)述CAEP計(jì)算機(jī)輔助工程是用

2、計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜丁程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn) 定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的 優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，CAES統(tǒng)的功能 和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的 CAES統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為結(jié)構(gòu)分 析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)輔助 4c系統(tǒng)（CAD, CAE CAPP CAM的重要環(huán) 節(jié)。CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM計(jì)算機(jī)輔助制造）和CAPP計(jì)算機(jī)輔助工藝）等都屬于計(jì)算 機(jī)輔助工程（CAE），而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CF刖有限元分析（FEA）等則是支撐CAE勺分析工具和 手段。采用CA

3、技術(shù)來(lái)建立CA的幾何模型和物理模型。完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過 程為CA的前處理。同樣，CA的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移 圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及 隨機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動(dòng)態(tài)顯示圖。我們稱這 一過程為CA的后處理。1. 2 CAE技術(shù)發(fā)展歷程CA的理論基礎(chǔ)有限元法：20世紀(jì)40年代起源于土木工程和航空工程中的彈性和結(jié)構(gòu)分析問題的研究。它的發(fā)展可以追溯到 Alexa nder Hrenn ikoff(1941)和Richardcourant(1942)的工作，他們的方法具有共同

4、的本質(zhì)特征：利用網(wǎng)格離散化將一個(gè)連續(xù)區(qū) 域轉(zhuǎn)化為一族離散的子區(qū)域，通常叫做元。Hren fIikofr的丁作離散用類似于格子的網(wǎng)格離散區(qū)域；Coura nt的方法將區(qū)域分解為有限個(gè)三角形的子區(qū)域，用于求解來(lái)源于圓柱體 轉(zhuǎn)矩問題的二階橢圓偏。Courant的貢獻(xiàn)推動(dòng)了有限元的發(fā)展。19631964年Besseling等 確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。而后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用 和發(fā)展，有限元技術(shù)依靠數(shù)值計(jì)算方法，才迅速發(fā)展起來(lái)。近10年來(lái)。有限元法的應(yīng)用范圍有了大幅度的提高，已由簡(jiǎn)單的彈性力學(xué)的平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜 力問題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問題、動(dòng)力學(xué)問題和波動(dòng)

5、問題；分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘 塑性和復(fù)合材料，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。將 有限元分析技術(shù)逐漸由傳統(tǒng)的分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM密切結(jié)合，形成了現(xiàn)在CA技術(shù)框架。CA軟件的發(fā)展：早期的CA軟 件只是計(jì)算處理特殊單一問題的簡(jiǎn)單程序。上個(gè)世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)大型通用CA軟件。在此期間世界三大CA軟件公司：MSC SDE和ANSY先后成立。1963年Ms(公司開發(fā)了 sADsA結(jié)構(gòu)分析軟件。在1965年Msc參與美國(guó)國(guó)家航空及宇航局(NASA)發(fā)起的計(jì)算結(jié)構(gòu)分 析方法研究，SADsA也正式更名為Msc/N

6、ASTRAN1967年sDR公司成立，在1971年推出商 用有限元分析軟件supertab(I DEAs)。1970年sAsI公司成立，后來(lái)重組后改為稱 ANSY公 司，開發(fā)了 ANSY通用有限元分析軟件。20世紀(jì)70 80年代是CA技術(shù)的蓬勃發(fā)展時(shí)期，這 期間許多CA軟件公司相繼成立。如致力于發(fā)展用于高級(jí) 1二程分析通用有限元程序的MARc 公司；致力于機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)的 MD公司；針對(duì)大結(jié)構(gòu)、流固耦合、熱及噪聲分析 的csAF公司；致力于結(jié)構(gòu)、流體、流固耦合分析的 ADIND公司等等。90年代，各CA軟件開 發(fā)商一方面大力發(fā)展自身CA軟件的功能如CA 11A、SOUDw0RKsUG增加

7、了基本的CAE 前后處理及簡(jiǎn)單的線性、模態(tài)方面通過并購(gòu)另外的 cAE軟件來(lái)增加其軟件的cAE功能，如 PK(PR/E)對(duì)RAsA的收購(gòu)。在cAD軟件商大力增強(qiáng)其軟件cAE功能的同時(shí)，cAE分析軟件也 在向cAD靠攏。如MA/NATTRA在1994年收購(gòu)了 PATRA作為自己的前后處理軟件，并先后 開發(fā)了與cAIIA、U(等cAD軟件的數(shù)據(jù)接口。ANsY也在大力發(fā)展其軟件的ANsY前后處理功 能。sDR(公司利用I DEAsl身的cAD功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，積極開發(fā)與別的cAD模型傳輸接 口。先后投放了與PR0/E、UG cArl ' IA等的接口，以保證cAD, cAB的相關(guān)性。同時(shí)cAE

8、軟件也在積極擴(kuò)展本身的功能。ANsY把其產(chǎn)品擴(kuò)展為ANsY'NEcHNIcAL。ANsYs IS-DYNA ANsYs PREPOs等多個(gè)應(yīng)用軟件。sDR（則在自己的單一分析模型的基礎(chǔ)上先后形成了多專項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，并將有限元技術(shù)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。2 CAE技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，其各項(xiàng)指標(biāo)涉及到燃燒、排放、油耗、密封、強(qiáng)度、噪聲等多 方面內(nèi)容，所以對(duì)應(yīng)的分析也涉及到熱力學(xué)、流動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、疲勞分析等多個(gè)方面。 而且內(nèi)燃機(jī)的許多零部件，如曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)的形狀結(jié)構(gòu)、受力，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的 流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、燃燒等工作過程十分復(fù)雜。因此建立這些零部件及整機(jī)的數(shù)學(xué)

9、模型是十 分困難的，而求解數(shù)學(xué)模型則更為閑難。另外在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)中由于對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能和可靠 性指標(biāo)愈來(lái)愈高，其中的一些參數(shù)的變化趨勢(shì)相互制約，參數(shù)優(yōu)化空間相對(duì)變小，研發(fā)的 風(fēng)險(xiǎn)加大；產(chǎn)品開發(fā)需要考慮的變量不斷增加。系統(tǒng)的復(fù)雜性增大；要求縮短產(chǎn)品開發(fā)的 周期；降低產(chǎn)品開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。為滿足現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)丁業(yè)的發(fā)展需要，必須對(duì)傳統(tǒng)的“繪圖+經(jīng)驗(yàn)+發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)”的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)。按照現(xiàn)代研發(fā)的基本流程，一款內(nèi) 燃機(jī)的研發(fā)主要包括設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試制、投產(chǎn)等階段。cAE分析主要涉及設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段的數(shù)字化開發(fā)可細(xì)分為概念設(shè)計(jì)階段、布置設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階 段。每個(gè)階段都包含了數(shù)字化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

10、工作的并行和協(xié)同：設(shè)計(jì)工程師按照時(shí)間進(jìn)度提 交零部件、裝配的子系統(tǒng)及整機(jī)的 CADS計(jì)數(shù)據(jù)；驗(yàn)證t程師應(yīng)用CA手段對(duì)設(shè)計(jì)部門提交 的CA數(shù)據(jù)進(jìn)行包括最基本的尺寸和運(yùn)動(dòng)學(xué)校核、復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)分析和功能實(shí)現(xiàn)以及最復(fù) 雜的可靠性分析等進(jìn)行全方位驗(yàn)證。2. 1概念設(shè)計(jì)階段概念設(shè)計(jì)階段是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)流程中進(jìn)入工程化開發(fā)過程的第一階段，也是最重要 的階段。理論上來(lái)說，有關(guān)所開發(fā)產(chǎn)品的所有重大決策性問題都要在這一階段內(nèi)解決。概 念設(shè)計(jì)階段的主要工作有：對(duì)前期項(xiàng)目策劃階段完成的市場(chǎng)、法規(guī)、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型 調(diào)查研究的結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，并轉(zhuǎn)換為概念設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)輸入；產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè) 計(jì)、生專家們?cè)诟拍钤O(shè)計(jì)

11、階段需協(xié)同進(jìn)行可行性研究工作；根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)定位和倉(cāng)業(yè)品 牌的內(nèi)涵，結(jié)合當(dāng)前行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平等因素。確定所開發(fā)產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、成本等方面適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)水平、具體指標(biāo)和規(guī)格要求；進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)總體布置研究；確定產(chǎn)品的總 體技術(shù)方案和各子系統(tǒng)的總體技術(shù)路線等。此階段的 cAE分析多以一維分析為主，以基本 結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)為輸入，在整機(jī)級(jí)和各大系統(tǒng)級(jí)建立虛擬樣，通過cAE分析方法確定發(fā)動(dòng)機(jī)的基本性能、冷卻系統(tǒng)布置、曲軸系布置和與整車的匹配等。此階段的cAE分析任務(wù)有：內(nèi)燃機(jī)氣體交換過程模擬，此類分析軟件主要有 G Powe和AVL-BOOst等。內(nèi)燃機(jī)熱 動(dòng)力學(xué)分析和整機(jī)性能預(yù)測(cè)在氣體交換的基礎(chǔ)上增加發(fā)

12、動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的仿真分析， 預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能，如功率、扭矩和燃油消耗率等。然后反過來(lái)確定進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣 系統(tǒng)、由缸蓋、缸體和活塞組成的燃燒系統(tǒng)等子系統(tǒng)的主要參數(shù)和技術(shù)方案。內(nèi)燃機(jī)冷卻 系統(tǒng)一維cFC分析此類分析軟件有cT-C砌等。內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)一維cFD分析，此類分析軟 件有flOwM艄ter等。裝備該內(nèi)燃機(jī)的整車的基本性能仿真分析，該類分析軟件主要有AVLCmise和GT- Drive 等。2. 2布置設(shè)計(jì)階段：布置設(shè)計(jì)階段主要是確定各主要零部件的尺寸和和相互之間的關(guān)系及接口，進(jìn)一步對(duì) 概念設(shè)計(jì)階段確定的技術(shù)方案進(jìn)行細(xì)化。此階段的 cAC設(shè)計(jì)工作主要是根據(jù)概念設(shè)計(jì)階段 的cAE仿真結(jié)果

13、建立內(nèi)燃機(jī)各大子系統(tǒng)的表面模型，確定和建立各大子系統(tǒng)之間的裝配關(guān) 系和模型等。CA仿真分析則需要對(duì)所有的概念設(shè)計(jì)階段的分析模型進(jìn)行更新，使之更加 具體和復(fù)雜，仿真的輸出結(jié)果也更加詳細(xì)和準(zhǔn)確。同時(shí)。增加新的一些cAE仿真分析內(nèi)容和領(lǐng)域，涉及動(dòng)力學(xué)、有限元、cFC分析等，如應(yīng)用MsC ADAM等行業(yè)常用的專業(yè)軟件建 立分析模型，首先塒前端輪系和配氣機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行各運(yùn)動(dòng)零部件之間的 裝配和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行檢查和校核然后開始動(dòng)力學(xué)分析。缸蓋、缸體、曲軸、凸輪軸和 連桿五大主要零部件的有限元分析，常用的分析軟件有Hyperworks、NAsTRAN ABAQusAVL ExCI7l 等。2.

14、 3詳細(xì)設(shè)計(jì)階段：詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，數(shù)字化開發(fā)范圍將覆蓋所有新設(shè)計(jì)零部件的全部特性，包括如詳細(xì)的 尺寸、尺寸和幾何公差、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、表面粗糙度、熱處理和材料技術(shù)條件等，在詳細(xì)設(shè)計(jì) 階段結(jié)束時(shí)將保證每一個(gè)零部件的cads計(jì)數(shù)據(jù)（包括i維實(shí)體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和二維平面設(shè)計(jì)數(shù) 據(jù)）將能具體指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)制造，因此，cADS計(jì)的工作量急劇增長(zhǎng)，成為詳細(xì)設(shè)計(jì)階段 的主要1二作。同時(shí)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段將應(yīng)用CA分析手段對(duì)所有新設(shè)計(jì)零部件的CA設(shè)計(jì) 進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以確保在數(shù)字化開發(fā)階段解決每個(gè)新設(shè)計(jì)的零部件以及從零部件到各子 系統(tǒng)、最后到整機(jī)的每個(gè)層次都不存在問題。此階段，CA分析的首要任務(wù)是對(duì)前兩個(gè)階段所有的分析模型根

15、據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段能夠 獲得的最全面的設(shè)計(jì)信息進(jìn)行最后的更新和拓展，進(jìn)一步更準(zhǔn)確地驗(yàn)證各零部件、系統(tǒng)和 整機(jī)的功能和特性。比如在概念設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)氣體交換一維cFC分析的基礎(chǔ)上將進(jìn)一步拓展和更新到進(jìn)行一維或三維的進(jìn)排氣噪聲分析，進(jìn)排氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)的 二三維cFC分析。目的是從三維角度考察發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體交換過程和流體在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的流動(dòng) 過程，保證發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)排氣的均勻度和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)的最佳化，以及在保證發(fā)動(dòng)機(jī)性 能設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣噪聲。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段所有零部件和子系統(tǒng) 新的CA設(shè)計(jì)都必須經(jīng)CA仿真分析驗(yàn)證，確保任何設(shè)計(jì)問題解決后，開發(fā)流程才能進(jìn)入樣 機(jī)制

16、造和驗(yàn)證階段。2. 4試驗(yàn)驗(yàn)證階段試驗(yàn)驗(yàn)證階段按照開發(fā)流程，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，就根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制作樣機(jī)并進(jìn)行組裝，然后按照相關(guān)試驗(yàn)方法對(duì)樣機(jī)的性能進(jìn)行考核，并不斷優(yōu)化。此階段的cAE分析多以輔助試驗(yàn)為主，針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，查找原因，并提出優(yōu)化建議。2. 5應(yīng)用軟件匯集計(jì)算程序一般分為三類：大型通用程序、專用程序和自編程序。所謂通用程序，它的 特點(diǎn)就是“通用性”。通用有限元程序（如NASTRANANsYs HYPERwORI（等）一般都能提 供與cAD軟件（如P” D, Engineer、uG cAllA等）的接口，將CADI型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為適于有限 元分析的模型。內(nèi)燃機(jī)以計(jì)算機(jī)仿真為手段的工程分析技

17、術(shù)，主要內(nèi)容包括有限元分析 法、邊界元法、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析、氣動(dòng)或流場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析等，其中有限元分析應(yīng)用最 廣泛。內(nèi)燃機(jī)研發(fā)一般都使用專業(yè)的有限元分析 （FEA）商業(yè)軟件，目前世界上大型的結(jié)構(gòu) 分析軟件主要有：ABAQus ANsYS Msc、Msc. Marc等。AVL Ricardo、FEV等世界著名 的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)都開發(fā)了專業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬軟件。其中AVL公司的系列軟件包括：F1RE一發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)cFD軟件、BOOS干發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)分析軟件、ExcITE一發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng) 力學(xué)和聲學(xué)計(jì)算軟件、EXCIrl'E de8i期e 曲軸組件的設(shè)計(jì)分析模塊、TYcON配氣結(jié)構(gòu) 計(jì)算軟件、GLIDE活塞副動(dòng)力學(xué)分析軟件、HYDsIM燃油噴射系統(tǒng)模擬軟件。3結(jié)束語(yǔ)以上首先論述了 cAE技術(shù)的概念和發(fā)展，而后結(jié)合現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品開發(fā)流程，簡(jiǎn)要介 紹了概念設(shè)計(jì)、布置設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)