綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

綜述CAE技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用引言CAET程分析問(wèn)題簡(jiǎn)潔化，使簡(jiǎn)單的過(guò)程層次化，節(jié)約了大量的時(shí)間，避開(kāi)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、產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)cAE關(guān)的根底學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。概論CAE技術(shù)CAE技術(shù)簡(jiǎn)述定性、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)算以及構(gòu)造性能CAE系統(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CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為構(gòu)造分析和構(gòu)造優(yōu)化的重要工具，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)關(guān)心4c系統(tǒng)(CAD，CAE，CAPP／CAM)的重要環(huán)節(jié)。CAD(計(jì)算機(jī)關(guān)心設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)關(guān)心制造)和CAPP(計(jì)算機(jī)關(guān)心工藝)等都屬于計(jì)算機(jī)關(guān)心工程(CAE)，而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD和有限元分析(FEA)等則是支撐CAE的分析工具和手段。承受CAD技術(shù)來(lái)建立CAE的幾何模型和物理模型。完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱(chēng)此過(guò)程為CAE的前處理。同樣，CAE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(xiàn)圖，表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗我們稱(chēng)這一過(guò)程為CAE的后處理。CAE技術(shù)進(jìn)展歷程CAE的理論根底有限元法：20世紀(jì)40年月起源于土木工程和航空工程中的彈性和構(gòu)造分析問(wèn)題的爭(zhēng)論。它的進(jìn)展可以追溯到AlexanderHrennikoff(1941)和Richardcourant(1942)的工作，他們的方法具有共同的本質(zhì)特征：利用網(wǎng)格離散化將一個(gè)連續(xù)區(qū)HrenfIikofr的丁作離散用類(lèi)似于格子的網(wǎng)格離散區(qū)域；Courant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(wèn)題的二階橢圓偏。Courant的奉獻(xiàn)推動(dòng)了有限元的進(jìn)展。1963一1964年Besseling等確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問(wèn)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)用和進(jìn)展，有限元技術(shù)依靠數(shù)值計(jì)算方法，才快速進(jìn)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)潔的彈性力學(xué)的平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問(wèn)題、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)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)漸漸由傳統(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)關(guān)心設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)關(guān)心制造(CAM)親熱結(jié)合，形成了現(xiàn)在CAE技術(shù)框架。CAE軟件的進(jìn)展：早期的CAE軟件只是計(jì)算處理特別單一問(wèn)題的簡(jiǎn)潔程序。上個(gè)世紀(jì)60年月開(kāi)頭消滅大型通用CAE軟件。在此期間世界三大CAE軟件公司：MSC、SDEC和ANSYS先后成立。1963年Msc公司開(kāi)發(fā)了sADsAM構(gòu)造分析軟件。在1965年Msc參與美國(guó)國(guó)家航空及宇航局(NASA)發(fā)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(chēng)ANSYS公司，開(kāi)發(fā)了ANSYS通用有限元分析軟件。20世紀(jì)70—80年月是CAE技術(shù)的蓬勃進(jìn)展時(shí)期，這期間很多CAE軟件公司相繼成立。如致力于進(jìn)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(kāi)發(fā)的MDI公司；針對(duì)大構(gòu)造、流固耦合、熱及噪聲分析的csAR公司；致力于構(gòu)造、流體、流固耦合分析的ADIND公司等等。UG都增加了根本的CAE前后處理及簡(jiǎn)潔的線(xiàn)性、模態(tài)方面通過(guò)并購(gòu)另外的cAE軟件來(lái)增加其軟件的cAE功能，如PK(PR0／E)對(duì)RAsAN的收購(gòu)。在cAD軟件商大力增加其軟件cAE功能的同時(shí)，cAE分析軟件也在向cAD靠攏。如MAc／NATTRAN在1994年收購(gòu)了PATRAN作為自己的前后處理軟件，并先后開(kāi)發(fā)了與cAllA、UG等cAD軟件的數(shù)據(jù)接口。ANsYs也在大力進(jìn)展其軟件的ANsYs前后處理功能。sDRc公司利用I—DEAs自身的cAD功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，樂(lè)觀(guān)開(kāi)cAE的相關(guān)性。同時(shí)cAE軟件也在樂(lè)觀(guān)擴(kuò)展本身的功能。ANsYS把其產(chǎn)品擴(kuò)展為ANsY洲EcHNIcAL。。ANsYs，PREP0sT等多個(gè)應(yīng)用軟件。sDRc則在自己的單一分析模型的根底上先后形成了多專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，并將有限元技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。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)、流淌力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、疲乏分析等多個(gè)方面。而且內(nèi)燃機(jī)的很多零部件，如曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)的外形構(gòu)造、受力，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的流淌、傳熱傳質(zhì)、燃燒等工作過(guò)程格外簡(jiǎn)單。因此建立這些零部件及整機(jī)的數(shù)學(xué)模型是格外困難的，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)的性能和牢靠性指標(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(kāi)發(fā)需要考慮的變量不斷增加。系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性增大；要求必需對(duì)傳統(tǒng)的“繪圖+閱歷+發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)”的設(shè)計(jì)方法進(jìn)展改進(jìn)。依據(jù)現(xiàn)代研發(fā)的基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(kāi)發(fā)可細(xì)分為概念設(shè)計(jì)階段、布置設(shè)計(jì)階段和具體設(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)證工作的并行和協(xié)同：設(shè)計(jì)工程師依據(jù)時(shí)間進(jìn)度提交零部件、裝配的子系統(tǒng)及整機(jī)的CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；驗(yàn)證t程師應(yīng)用CAE手段對(duì)設(shè)計(jì)部門(mén)提交的CAD能實(shí)現(xiàn)以及最簡(jiǎn)單的牢靠性分析等進(jìn)展全方位驗(yàn)證。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(kāi)發(fā)流程中進(jìn)入工程化開(kāi)發(fā)過(guò)程的第一階段，也是最重概念設(shè)計(jì)階段的主要工作有：對(duì)前期工程籌劃階段完成的市場(chǎng)、法規(guī)、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型調(diào)查爭(zhēng)論的結(jié)果進(jìn)展分析和評(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(zhuān)家們?cè)诟拍钤O(shè)計(jì)階段需協(xié)同進(jìn)展可行性爭(zhēng)論工作；依據(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)進(jìn)展水公平因素。確定所開(kāi)發(fā)產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、本錢(qián)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)展整機(jī)系統(tǒng)總體布置爭(zhēng)論；cAE分析多以一維分析cAE分析方法確定發(fā)動(dòng)機(jī)的根本性能、冷卻系統(tǒng)布置、曲軸系布置和與整車(chē)的匹配等。此階段的cAEGT—Power和AVL-B00st等。內(nèi)燃機(jī)熱動(dòng)力學(xué)分析和整機(jī)性能推測(cè)．在氣體交換的根底上增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的仿真分析，推測(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(guò)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cFD分析，此類(lèi)分析軟件有f”10wM艄ter等。裝備該內(nèi)燃機(jī)的整車(chē)的根本性能仿真分析，該類(lèi)分析軟件主要有AVL—Cmise和GT—Drive等。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cAD設(shè)計(jì)工作主要是依據(jù)概念設(shè)計(jì)階段的cAEcAE仿真分析內(nèi)cFD分析等，如應(yīng)用MsC．ADAMs等行業(yè)常用的專(zhuān)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)展各運(yùn)動(dòng)零部件之間的裝配和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)展檢查和校核．然后開(kāi)頭動(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、ABAQus、AVL—ExCl7I等。具體設(shè)計(jì)階段：設(shè)計(jì)階段完畢時(shí)將保證每一個(gè)零部件的cAD設(shè)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(chǎng)的生產(chǎn)制造，因此，cAD設(shè)計(jì)的工作量急劇增長(zhǎng)，成為具體設(shè)計(jì)階段的主要1二作。同時(shí)，在具體設(shè)計(jì)階段將應(yīng)用CAE分析手段對(duì)全部設(shè)計(jì)零部件部件到各子系統(tǒng)、最終到整機(jī)的每個(gè)層次都不存在問(wèn)題。獲得的最全面的設(shè)計(jì)信息進(jìn)展最終的更和拓展，進(jìn)一步更準(zhǔn)確地驗(yàn)證各零部件、系統(tǒng)cFD分析的根底上將cFD分析。目的是從三維角度考察發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體交換過(guò)程和流體在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的CAD設(shè)計(jì)都必需經(jīng)CAE仿真分析驗(yàn)證，確保任何設(shè)計(jì)問(wèn)題解決后，開(kāi)發(fā)流程才能進(jìn)入樣機(jī)制造和驗(yàn)證階段。試驗(yàn)驗(yàn)證階段cAE分析多以關(guān)心試驗(yàn)為主，針對(duì)試驗(yàn)中消滅的問(wèn)題，查找緣由，并提出優(yōu)化建議。應(yīng)用軟件集合計(jì)算程序一般分為三類(lèi)：大型通用程序、專(zhuān)用程序和自編程序。所謂通用程序，它限元分析的模型。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)構(gòu)造分析軟件主要有：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(kāi)發(fā)了專(zhuān)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、BOOST一發(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、EXCIrI”E—de8i期e一曲軸組件的設(shè)計(jì)分析模塊、TYc0N：配氣構(gòu)造計(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。完畢語(yǔ)cAE技術(shù)的概念和進(jìn)展，而后結(jié)合現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，簡(jiǎn)要介