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| 计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述 | |
| 昆明大学 杨朝丽 | |
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摘要：文章介绍了计算机辅助工程技术的主要发展阶段和技术特征，特别是对ANSYS软件的技术特征和工程应用进行了介绍和讨论。
关键词：计算机辅助工程；ANSYS；工程分析
工程和制造业的生命力在产品的创新，现代产品的创新是基于知识和信息的创新设计[1]，在产品设计过程中不断地获取新的知识和信息，采用先进可靠的设计软件是现代产品设计的主要手段，计算机辅助工程技术及其软件就是现代设计的重要工具，它能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改，并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性[2]。
计算机辅助工程(CAE)技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。CAE的核心技术是有限元理论和数字计算方法。经过几十年的发展，CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。并随着计算机技术、CAD技术、CAPP技术、CAM技术、PDM技术和ERP技术的发展，CAE技术逐渐与它们相互渗透，向多种信息技术的集成方向发展。
1 计算机辅助工程
计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)是一个很广的概念，从字面上讲它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。准确地说，CAE是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动/动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。
对CAE进一步分析，其具体的含义表现为以下几个方面：(1)运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析；(2)运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优；(3)运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计；(4)运用运动/动力学的理论、方法，对由CAD实体造型设计出动的机构、整机进行运动/动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。
2 CAE技术的发展现状与趋势[3]
CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解t.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。自从1963—1964年Besseling、melosh和Jones等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式，从而使得里兹分析的所有理论基础都适应于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。以此为理论指导，有限元法的应用已由弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题；分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现在CAE技术的框架。
2.1 有限元技术的发展 经过60多年的发展，有限元技术已趋于成熟，普遍为工程界所接受。并开发了相应的有限元分析软件。这些软件在功能、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(线性方程组、非线性方程组、特征值等)；后处理器可给出所需要的可视化的技术结果(等值线、等值面、云图、动画等)。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(机械、电磁、土木等)问题的求解.
2.2 结构优化技术的发展 结构优化方法中早期采用的是基于直觉的准则法，如满应力准则法、满应变准则法等。20世纪60年代数学规划法引入结构优化设计中，标志着现代优化设计的开始，数学规划法中的复合形法、可行方向法、惩罚函数法等在结构优化设计中得到了广泛的应用。70年代出现了优化准则法，其思想是将设计问题的力学特性与数值方法中的各种近似手段相结合，把高度非线性问题转化为一系列近似的带显示约束问题，然后借助于数学规划法进行求解。80年代以后，结构优化设计开始应用于工程优化设计中，并形成了专门研制的工程优化设计软件。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.VisualNastran等。
2.3 结构强度与寿命评估的发展 由于结构的速度、经济性、耐久性、可靠性的不断提高，以及不断地减轻结构的重量，结构强度与寿命评估变得越来越复杂，越来越重要。用复杂机电产品的选型时，要了解的已不仅是设备的强度指标，还包含设备的使用寿命指标，生产厂家必须向用户回答在什么情况下厂家提供的设备可靠工作多少年。要进行结构强度与寿命评估需要借助于有关的理论、方法、行业上的规范以及材料的数据，这些理论、方法、数据大都是经过大量实验、工程实践总结归纳出来的，国外将这方面的科研成果编制成软件。如MSC.FAUIGUE软件、MSC.MARC软件中的失效与破坏分析模块。由于我国国情不同，尤其是评估的数据库内容的不同，需要有适合我国国情的评估体系/我国在结构强度与寿命评估的理论、方法、规范及其数据库方面也取得了一定进展，但还有很大的差距，目前还没有成熟的软件可供使用，但在CAE系统中有关结构强度与寿命评估的内容是必不可少的。
2.4 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，其主要功能包括动态模拟与动态分析。动态模拟包括速度、加速度、力响应、效率能量等，动态分析包括动态信号的处理、频谱分析、数字滤波、传递函数的取得等。
3 CAE软件的发展现状、趋势[4～7]
1960～1970年，有限元的理论处于发展阶段，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题，又由于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，CAE软件处于探索时期。1963年由Dr. Richard MacNeal和Mr. Robert Schwendle成立了MSC开发了第一个结构分析软件。并于1965年参与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算机结构分析方法研究，其程序业更名为MSC/Nastran.。1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS)。1970年Dr. John A. Swanson成立Swanson Analysis System，Inc.(SASI)后来重组后改称ANSYS公司，开发ANSYS软件。至此世界上的三大公司先后了组建工作，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。时至今日，这三大巨头主导CAE市场的格局基本保持下来。只是在发展方向上，MSC和ANSYS比较专注于非线性分析市场，SDRC则是更偏向于线性分析市场，同时SDRC发展起来了自己的CAD/CAE/PDM技术。
1970～1980年代是CAE技术蓬勃发展的时期，一方面SDRC，MSC，ANSYS等在技术和应用继续创新外，新的CAE软件迅速成立。1971年MARC公司成立，致力于发展用于高级工程分析的通用有限元程序，而Marc程序重点处理非线性结构和热应力问题。1977年Mechanical Dynamics Inc.(MDI)公司成立，致力于发展机械系统仿真软件。其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。1978年Hibbitt Karlsson & Sorensen, Inc.公司成立，其ABAQUS软件主要应用于结构非线性分析。1983年CSAR成立。其CSA/nastran主要针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。1983年AAC成立，其程序COMET主要用于噪声及结构噪声优化等领域。Computer Aided Design Software，Inc的PolyFEM软件包提供线性静态、动态及热分析。1986年ADINA公司致力于发展结构、流体及流固耦合的有限元分析软件。1987年Livermore Software Technology Corporation成立，其产品LS-DYNA及LS-NIKE30用隐式上算法求解低高速动态特征问题。1988年Flomerics公司成立，提供用于带脑子系统内部空气流及热传递的分析程序。1989年Engineering Software Kessemochand Development公司成立，致力于发展Ｐ法有限元程序。同时期还有多家专业性软件公司投入专业CAE程序的开发。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，从力学模型开始拓展到各类物理场(如温度场、磁场、声波场)的分析；从线性分析向非线性分析(如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran，I-DEAS，ANSYS，ADINA，SAP系列，DYNAS3D，ABAQUS，NIKE3D与WECAN等。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。
上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。CAD据说经过三十年的发展，经历了从线框CAD技术到曲面CAD技术，再到参数化技术，直到目前的变量化技术，为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。这期间各CAD软件开发商一方面大力发展自身CAD软件的功能，如世界排名前几位的CAD软件CATIA，CADDS，UG都增加了基本的CAE前后处理及一般的线性、模态分析功能，或者通过并购另外的CAE软件来增加其软件的CAE功能。如PTC对Rasna的收购。在CAD软件商大力增强其软件CAE功能的同时，各大分析软件也在向CAD靠拢。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口，并增强软件的前后处理能力。如MAC/Nastran在1994年收购了Patran作为自己的前后处理软件，并先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样ANSYS也在大力发展其软件的ANSYS/Prepost前后处理功能。而SDRC公司利用I-DEAS自身的CAD功能强大的优势，积极开发与别的CAD模型传输接口，先后投放了Pro/E to I-DEAS，CATIA to/from I-DEAS，UG to/from I-DEAS，CADDS4/5 Solid to/from I-DEAS的前后处理功能，以保证CAD/CAE的相关性。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。MSC先后通过开发、并购，目前旗下拥有10几个产品，如用于非线性瞬态动力问题的MSC/Dytran等。同时ANSYS也把其产品扩展为ANSYS/Mechanical，ANSYS/LS-DYNA，ANSYS/prepost等多个应用软件。而SDRC则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了耐用性、噪声与震动、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等专项应用技术，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。
主要表现为以下几个方面：(1)在产品的工作原理、工作性能、结构已经确定的条件下，通过CAE技术给出产品的最大效能；(2)在产品工作原理不变的前提下，借助于CAE计算分析指导产品结构中某些部分进行修改，以期得到更加优良的性能；(3)对新开发的产品进行仿真分析，验证预期的功能，及时发现设计中的缺陷，使新产品更加有效、可靠。
4 CAE软件--ANSYS的应用体系
ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。
4.1 ANSYS软件的主要结构
ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块，分析求解模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、电压分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
4.2 ANSYS软件主要的分析功能
ANSYS的主要功能以结构分析为基础：
4.2.1 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
4.2.2 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
4.2.3 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3种。
4.2.4 动力学分析 ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
4.2.5 热分析 程序可处理热传递的3种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的3种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。此外还有：电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析。
4.3 ANSYS软件的后处理功能
ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块ＰＯＳＴ1和时间历程响应后处理模块ＰＯＳＴ26。通过用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表2种。
4.4 ANSYS软件的应用实例
ANSYS软件的应用流程如图1所示，ANSYS分析软件不仅可以完成传统意义上的结构静力、动力分析[8]，而且可以进行多种介质下的耦合分析，解决过去难以解决的问题[9]，获得分析对象的内在特性，为系统的优化设计和分析对象的静、动态特性的改进指明方向。下面附出应用ANSYS软件进行结构动态特性分析、铸造过程的凝固时间与温度、流体流场的层流和紊流状态的分析结果，以展示ＡＮ ＳＹＳ软件的应用效果。 （图片） （图片） （图片） （图片） | |
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