计算机辅助工程（CAE）

计算机辅助工程（CAE）王建明山东大学机械工程学院CAD/CAM研究所什么是计算机辅助工程（CAE）CAE=在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分析性能仿真的内容涉及产品（或系统）的力学性能（变形，应力）、热学性能、流动性能、振动特性和噪声控制等可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验，即用数字化样机取代传统的物理样机实验广泛应用于各工业领域为什么要采用CAE波音777的研发过程中采用CAE数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物理样机实验需花费1亿美元CAE技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的5~6年缩减到现在的1~2年为什么要采用CAE美国NASA的喷气推进实验室（JPL）应用CAE技术成功地实现了火星探测器“勇气号”、“机遇号”在火星上的软着陆仿真分析。仿真结果预测到由于制动火箭和火星风的相互作用，使探测器在着陆时可能出现翻滚，从而改进了技术方案，保证了登陆成功在机械工程中的应用在土木工程中的应用在航空工程中的应用在电子工程中的应用在生物工程中的应用在毕业设计中的应用—有限元分析在毕业设计中的应用—虚拟样机设计先进的产品研发系统流程

方案设计

建模

建模物理建模，数学建模，计算建模

仿真

仿真计算机仿真，解析方法，实验方法

分析

结果可视化照片，录像带，计算机图形，虚拟现实

详细设计

物理样机制造

物理样机测试

批量生产

虚拟样机分析

CAE方法体系机械系统物理模型：结构模型，机构模型数学模型：偏微分方程，常微分方程数学模型：物体运动：常微分方程，铰约束：代数方程解析法：材料力学，弹性力学等数值法解析法：理论力学，机械原理等数值法有限差分法FDM有限元法FEM边界元法BEM有限体积法FVM无网格法Meshfree多体动力学或虚拟样机结构模型机构模型CAE方法体系—数值分析工具箱

“如果仅有一把锤子，解决问题的方法只能是用钉子”

有限元法：CAE的最主要方法，求解问题包罗万象，几乎涵盖各个学科及各个工程领域。技术最成熟，商业软件十分丰富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…CAE方法体系—数值分析工具箱

有限差分法：最早的数值分析方法，使用结构化网格，不需要域积分，建模、计算简单。适于分析几何形状简单的问题，尤其是流动性问题。商业软件很少。CAE方法体系—数值分析工具箱

有限体积法：一种特殊形式的有限元法（欧拉结构化网格）。多用于分析流体动力学问题。被大多数商业流体分析软件采用，如FLUENT,CFX…CAE方法体系—数值分析工具箱

边界元法：仅在分析域的边界上划分网格，适于分析无界、连续介质问题，如声学问题和波的传播问题。商业软件很少。CAE方法体系—数值分析工具箱

无网格法：是一种最新的数值分析方法。多用于分析受网格划分的限制，采用有限元法而不易解决的问题。如大变形、裂纹扩展、爆炸等，商业软件很少。CAE方法体系—数值分析工具箱

基于多体系统动力学的虚拟样机技术：针对复杂机械系统的整机性能优化技术。所建立的复杂机械系统包括机-液-控的耦合。商业分析软件包括ADAMS,SIMPACK,DADS…与CAE相关的课程材料力学，弹性力学，流体力学，热力学等理论力学，机械原理，机械振动计算机三维造型（SolidEdge,Pro/E,SolidWork,UG等软件的使用）有限元分析（FEM）(有限元理论及软件的使用如ANSYS,ABAQUS,LS-DYNA…)虚拟样机理论及应用（多体系统动力学理论及虚拟样机软件的使用如ADAMS）无网格法理论及应用CAE应用现状现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLifecyeleManagement)CAD已普及（要求每个工程师必须掌握）CAM/PLM仍处于研发阶段CAE在发达国家及一些大公司中利用CAE技术优化产品设计以降低成本，缩短研发周期已达80%~95%CAE的应用已含盖机械工程的各个方面（包括运动分析，动力学分析，强度及稳定性分析，液压传动分析，振动和噪声的控制等）CAE方面的专业人才短缺（包括发达国家）CAE的未来CAD/CAE/CAM/PLM的软件被广泛应用，其价格低廉（“CAE计算器”）每个工程师都具备CAE的知识和能力大规模、多尺度、多场耦合分析，虚拟工程CAE全球化（如中国、印度的工程师承接美国的CAE项目）在线分析：基于新一代的高速因特网实现软件共享，协同分析打好基础，做好