计算机辅助工程--CAE.ppt

计算机辅助工程（CAE） 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56年缩减到现在的12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, Solid Work, 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 ( Product Lifecyele Management ) 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