計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）

計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）王建明山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院CAD/CAM研究所什么是計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）CAE=在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模及性能仿真分析性能仿真的內(nèi)容涉及產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的力學(xué)性能（變形，應(yīng)力）、熱學(xué)性能、流動(dòng)性能、振動(dòng)特性和噪聲控制等可替代大多數(shù)昂貴而費(fèi)時(shí)的物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，即用數(shù)字化樣機(jī)取代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域?yàn)槭裁匆捎肅AE波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，節(jié)省了大量物理樣機(jī)試飛次數(shù)，僅一次試飛即獲得成功，每次物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)需花費(fèi)1億美元CAE技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，使新車開發(fā)周期由原來的5~6年縮減到現(xiàn)在的1~2年為什么要采用CAE美國(guó)NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）應(yīng)用CAE技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器“勇氣號(hào)”、“機(jī)遇號(hào)”在火星上的軟著陸仿真分析。仿真結(jié)果預(yù)測(cè)到由于制動(dòng)火箭和火星風(fēng)的相互作用，使探測(cè)器在著陸時(shí)可能出現(xiàn)翻滾，從而改進(jìn)了技術(shù)方案，保證了登陸成功在機(jī)械工程中的應(yīng)用在土木工程中的應(yīng)用在航空工程中的應(yīng)用在電子工程中的應(yīng)用在生物工程中的應(yīng)用在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用—有限元分析在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用—虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)的產(chǎn)品研發(fā)系統(tǒng)流程

方案設(shè)計(jì)

建模

建模物理建模，數(shù)學(xué)建模，計(jì)算建模

仿真

仿真計(jì)算機(jī)仿真，解析方法，實(shí)驗(yàn)方法

分析

結(jié)果可視化照片，錄像帶，計(jì)算機(jī)圖形，虛擬現(xiàn)實(shí)

詳細(xì)設(shè)計(jì)

物理樣機(jī)制造

物理樣機(jī)測(cè)試

批量生產(chǎn)

虛擬樣機(jī)分析

CAE方法體系機(jī)械系統(tǒng)物理模型：結(jié)構(gòu)模型，機(jī)構(gòu)模型數(shù)學(xué)模型：偏微分方程，常微分方程數(shù)學(xué)模型：物體運(yùn)動(dòng)：常微分方程，鉸約束：代數(shù)方程解析法：材料力學(xué)，彈性力學(xué)等數(shù)值法解析法：理論力學(xué)，機(jī)械原理等數(shù)值法有限差分法FDM有限元法FEM邊界元法BEM有限體積法FVM無網(wǎng)格法Meshfree多體動(dòng)力學(xué)或虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)模型機(jī)構(gòu)模型CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

“如果僅有一把錘子，解決問題的方法只能是用釘子”

有限元法：CAE的最主要方法，求解問題包羅萬象，幾乎涵蓋各個(gè)學(xué)科及各個(gè)工程領(lǐng)域。技術(shù)最成熟，商業(yè)軟件十分豐富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

有限差分法：最早的數(shù)值分析方法，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，不需要域積分，建模、計(jì)算簡(jiǎn)單。適于分析幾何形狀簡(jiǎn)單的問題，尤其是流動(dòng)性問題。商業(yè)軟件很少。CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

有限體積法：一種特殊形式的有限元法（歐拉結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）。多用于分析流體動(dòng)力學(xué)問題。被大多數(shù)商業(yè)流體分析軟件采用，如FLUENT,CFX…CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

邊界元法：僅在分析域的邊界上劃分網(wǎng)格，適于分析無界、連續(xù)介質(zhì)問題，如聲學(xué)問題和波的傳播問題。商業(yè)軟件很少。CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

無網(wǎng)格法：是一種最新的數(shù)值分析方法。多用于分析受網(wǎng)格劃分的限制，采用有限元法而不易解決的問題。如大變形、裂紋擴(kuò)展、爆炸等，商業(yè)軟件很少。CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的虛擬樣機(jī)技術(shù)：針對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的整機(jī)性能優(yōu)化技術(shù)。所建立的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)-液-控的耦合。商業(yè)分析軟件包括ADAMS,SIMPACK,DADS…與CAE相關(guān)的課程材料力學(xué)，彈性力學(xué)，流體力學(xué)，熱力學(xué)等理論力學(xué)，機(jī)械原理，機(jī)械振動(dòng)計(jì)算機(jī)三維造型（SolidEdge,Pro/E,SolidWork,UG等軟件的使用）有限元分析（FEM）(有限元理論及軟件的使用如ANSYS,ABAQUS,LS-DYNA…)虛擬樣機(jī)理論及應(yīng)用（多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論及虛擬樣機(jī)軟件的使用如ADAMS）無網(wǎng)格法理論及應(yīng)用CAE應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)包括:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLifecyeleManagement)CAD已普及（要求每個(gè)工程師必須掌握）CAM/PLM仍處于研發(fā)階段CAE在發(fā)達(dá)國(guó)家及一些大公司中利用CAE技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)以降低成本，縮短研發(fā)周期已達(dá)80%~95%CAE的應(yīng)用已含蓋機(jī)械工程的各個(gè)方面（包括運(yùn)動(dòng)分析，動(dòng)力學(xué)分析，強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析，液壓傳動(dòng)分析，振動(dòng)和噪聲的控制等）CAE方面的專業(yè)人才短缺（包括發(fā)達(dá)國(guó)家）CAE的未來CAD/CAE/CAM/PLM的軟件被廣泛應(yīng)用，其價(jià)格低廉（“CAE計(jì)算器”）每個(gè)工程師都具備CAE的知識(shí)和能力大規(guī)模、多尺度、多場(chǎng)耦合分析，虛擬工程CAE全球化（如中國(guó)、印度的工程師承接美國(guó)的CAE項(xiàng)目）在線分析：基于新一代的高速因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)軟件共享，協(xié)同分析打好基礎(chǔ)，做好