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CAE有限元分析介紹

CAE指工程設計中的計算機輔助工程CAE(Computer Aided Engineering),指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能,以及優化結構性能等。而CAE軟件可作靜態結構分析,動態分析;研究線性、非線性問題;分析結構(固體)、流體、電磁等。

CAE(Computer Aided Engineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始應用到今天,已經歷了50多年的發展歷史,其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程,現已成為工程和產品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域)必不可少的數值計算工具,同時也是分析連續力學各類問題的一種重要手段。隨著計算機技術的普及和不斷提高,CAE系統的功能和計算精度都有很大提高,各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生,并已成為結構分析和結構優化的重要工具,同時也是計算機輔助4C系統(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環節。CAE系統的核心思想是結構的離散化,即將實際結構離散為有限數目的規則單元組合體,實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析,得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析,這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。其基本過程是將一個形狀復雜的連續體的求解區域分解為有限的形狀簡單的子區域,即將一個連續體簡化為由有限個單元組合的等效組合體;通過將連續體離散化,把求解連續體的場變量(應力、位移、壓力和溫度等)問題簡化為求解有限的單元節點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數方程組,而不是原來描述真實連續體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數值解,其近似程度取決于所采用的單元類型、數量以及對單元的插值函數。針對這種情況,表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖,我們稱這一過程為CAE的后處理。

CAE計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技術的提出就是要把工程(生產)的各個環節有機地組織起來,其關鍵就是將有關的信息集成,使其產生并存在于工程(產品)的整個生命周期。因此,CAE系統是一個包括了相關人員、技術、經營管理及信息流和物流的有機集成且優化運行的復雜的系統。

從廣義上說,計算機輔助工程包括很多,從字面上講,它可以包括工程和制造業信息化的所有方面,但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品進行性能與安全可靠性分析,對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬,及早發現設計缺陷,并證實未來工程、產品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指CAE軟件。

CAE軟件可以分為兩類:針對特定類型的工程或產品所開發的用于產品性能分析、預測和優化的軟件,稱之為專用CAE軟件;可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優化,以實現產品技術創新的軟件,稱之為通用CAE軟件。

CAE軟件的主體是有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)軟件。 有限元方法的基本思想是將結構離散化,用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象,單元之間通過有限個節點相互連接,然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的,節點的數目也是有限的,所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大,只要改變單元的數目,就可以使解的精確度改變,得到與真實情況無限接近的解。

基于有限元方法的CAE系統,其核心思想是結構的離散化。 根據經驗,CAE各階段所用的時間為:40%~45%用于模型的建立和數據輸入,50%~55%用于分析結果的判讀和評定,而真正的分析計算時間只占5%左右。

采用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型,完成分析數據的輸入,通常稱此過程為CAE的前處理。同樣,CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出,如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖,表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖,我們稱這一過程為:CAE的后處理。

基本結構:

1、分析步驟

應用CAE軟件對工程或產品進行性能分析和模擬時,一般要經歷以下三個過程:
 
前處理:對工程或產品進行建模,建立合理的有限元分析模型。
 
有限元分析:對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。
 
后處理:根據工程或產品模型與設計要求,對有限元分析結果進行用戶所要求的加工、檢查,并以圖形方式提供給用戶,輔助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。

2、結構與功能

CAE軟件的基本結構其中包含以下模塊:
 
前處理模塊---給實體建模與參數化建模,構件的布爾運算,單元自動剖分,節點自動編號與節點參數自動生成,載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入,節點載荷自動生成,有限元模型信息自動生成等。
 有限元分析模塊---有限單元庫,材料庫及相關算法,約束處理算法,有限元系統組裝模塊,靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特征,分解成若干個子問題,由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統:線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等。
 
后處理模塊---有限元分析結果的數據平滑,各種物理量的加工與顯示,針對工程或產品設計要求的數據檢驗與工程規范校核,設計優化與模型修改等。
 
用戶界面模塊、數據管理系統與數據庫、專家系統、知識庫。
 
CAE軟件對工程和產品的分析、模擬能力,主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度,單元庫所包含的單元類型越多,材料庫所包括的材料特性種類越全,其CAE軟件對工程或產品的分析、仿真能力越強。
 
一個CAE軟件的計算效率和計算結果的精度,主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規的求解算法,在計算效率上可能有幾倍、幾十倍,甚至幾百倍的差異。
 
前后處理是近十多年發展最快的CAE軟件成分,它們是CAE軟件滿足用戶需求,使通用軟件專業化、屬地化,并實現CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關鍵性軟件成分。它們是通過增設CAD軟件,例如Pro/Engineer,UG,Solidedge,CATIA,MDT等軟件的接口數據模塊,實現了CAD/CAE的有效集成。
 
CAE通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析(線性、非線性、靜態、動態);場分析(熱場、電場、磁場等);頻率響應和結構優化等。機構分析能完成機構內零部件的位移、速度、加速度和力的計算,機構的運動模擬及機構參數的優化。
 
3、CAE的作用:

a)增加設計功能,借助計算機分析計算,確保產品設計的合理性,減少設計成本;
b)縮短設計和分析的循環周期;
c)CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程,虛擬樣機作用能預測產品在整個生命周期內的可靠性;
d)采用優化設計,找出產品設計優秀的方案,降低材料的消耗或成本;
e)在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題;
f)模擬各種試驗方案,減少試驗時間和經費;
g)進行機械事故分析,查找事故原因。

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