CAE技术在企业的应用PPT课件

CAE技术在企业的应用张小格东风汽车车轮有限公司,内容1.CAE概述2.CAE软件的功能及技术发展趋势3.CAE技术在企业的应用4.车轮公司CAE技术的应用,1.CAE概述,1.1什么是CAE？CAE是ComputerAidedEngineering的缩写，中文翻译为计算机辅助工程。CAE是一种迅速发展的信息技术，从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程或产品的可用性与可靠性。,1.CAE概述,1.1什么是CAE？简单来说，CAE就是一种用计算机来对设计产品的性能、功能和安全性进行模拟仿真的技术。CAE与CADCAMCAPPPDMERP一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要技术，它们已经在提高工程/产品的设计质量，降低研发成本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。,现代制造业信息化技术,CADComputerAidedDesign计算机辅助设计CAEComputerAidedEngineering计算机辅助工程CAMComputerAidedManufacturing计算机辅助制造CAPPComputerAidedProcessPlanning计算机辅助工艺过程设计PDMProductDataManagement产品数据管理PLMProductLifecycleManagement产品生命周期管理ERPEnterpriseResourcePlanning企业资源计划BOMBillofMaterial物料清单,企业信息化支撑平台,企业信息数据库,PDM产品数据管理,CAM,CAE,CAPP,CAD,工作流程管理,图文档管理,产品设计过程管理,产品信息,工艺信息,ERP企业资源计划,生产计划,需求计划,销售管理,库存管理,财务管理,质量管理,采购管理,人力资源,生产成本控制,生产流程管理,产品生产过程管理,BOM（Ebom、Pbom）,SCM供应链管理,CRM客户关系管理,一、CAE概述,1.2有限元与CAE,CAE分析方法,有限元法（FiniteElementMethod）,有限差分法（FiniteDifferenceMethod）,边界元法（BoundaryElementMethod）,目前应用最多、最广的就是有限元法，所以有时也把CAE称为有限元分析，有限元法通常称为FEM（FiniteElementMethod），有限元分析称为FEA（FiniteElementAnsys）。,一、CAE概述,1.2有限元与CAE,有限元分析是利用数学的方法对真实物理系统进行模拟。有限元模型：真实系统理想化的数学抽象,有限元模型,真实系统,一、CAE概述,1.3有限元分析过程,有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。,有限元分析过程,后处理,求解,前处理,典型的有限元软件分析流程,几何模型的建立,模型数据导入,几何模型修补,网格生成,边界条件定义,问题求解,结果可视化,前处理,求解,后处理,2.CAE软件的功能及技术发展趋势,2.1CAE软件的功能结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析-多物理场优化分析,2.1CAE软件的功能,2.1.1结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等静力分析模态分析响应分析动力学分析专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析，焊接分析，板料成形分析,2.1CAE软件的功能,2.1.1结构分析,FE-SAFE疲劳分析,RecurDyn多体动力学,LS-DYNA碰撞/成型,Mechanical刚强度/振动,焊接残余应力分析（Sysweld）,结构与焊缝布置,焊接过程的温度分布与轴向残余应力,多工步拉延分析（Dynaform）,第二次成形,切边,翻边-最终工序,第一次成形,2.1CAE软件的功能,2.1.2热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等，热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析功能:相变(熔化及凝固),内热源(如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射),淬火分析（Ansys）,淬火3.06min时的马氏体分布,淬火3.06min时的温度分布,2.1CAE软件的功能,2.1.3电磁分析计算电磁场，考虑的物理量主要是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。电场分析-计算电阻或电容系统的电场静磁场分析-计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场交变磁场分析-计算由于交流电(AC)产生的磁场瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场高频电磁场分析-用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.,2.1CAE软件的功能,2.1.3电磁分析,LinFlow颤振分析,EMAG有限元法,FEKO矩量法,2.1CAE软件的功能,2.1.4流体分析(CFD)用于确定流体的流动及热行为。CFD-计算流体动力学声学分析容器内流体分析流体动力学耦合分析,2.1CAE软件的功能,2.1.4流体分析(CFD),CFX精确/快速,LinFlow颤振分析,CART3D飞行器预研,AutoReaGas气体燃爆,2.1CAE软件的功能,2.1.5耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。其他需要耦合场分析的典型情况有:热应力分析流体结构相互作用感应加热（电磁热）,感应振荡,2.1CAE软件的功能,2.1.5耦合场分析,流固耦合,涡轮机械流-固-热耦合,电弧焊结流体电磁,2.1CAE软件的功能,2.1.6优化分析在给定的条件下实现产品最佳效果，设计目标包括质量、体积、应力等。拓扑优化：在给定设计空间内找出最佳的材料分布形貌优化：在给定结构上确定优化的加强筋布局形状优化：在给定条件下确定结构最佳性能的边界尺寸优化：在给定条件下确定结构最佳性能的尺寸,2.1CAE软件的功能,优化分析,2.1CAE软件的功能,优化分析,2.1CAE软件的功能,优化分析需要注意的问题优化分析必须要有全局的眼光，如做结构优化时，除了考虑产品本身的性能外，对改进后的产品从工装、工艺、外观形象、用户投诉情况等等也要考虑。如果优化设计后产品的性能再好，但产品加工出来的废品率很高，产品配套的工装模具几乎全部重新投入造成生产成本成倍地增加，或者设计出来的产品在外观上用户很难接受，这些都算不上成功的优化。,2.CAE软件的功能及技术发展趋势,2.2CAE技术发展趋势从单学科到多学科，对同一问题或同一种产品所涉及的专业越来越多，涉及的领域也越来越广从独立到联合，进一步加强企业各部门之间的联系与合作从分散到协同，更加注重多个物理场的耦合作用，注重不同学科、不同领域之间的协同设计与分析从性能预测、模拟验证到优化，实现设计的最终目标,3.CAE技术在企业的应用,3.1CAE在企业的定位CAE在企业的定位就是模拟验证，即通过数字模型在产品研制方案阶段进行预测、详细设计阶段进行验证，试验阶段进行对比完善。达到缩短研发周期，提升设计性能，降低成本的目的。CAE分析是现代产品研发流程不可缺少的一部分，并且逐步起到引领技术创新的作用。,3.CAE技术在企业的应用,3.2CAE与试验验证试验验证周期长，成本高,模拟验证速度快，成本低。两者相辅相成、互相指导，但不能互相替代。通过CAE可以在试验验证前对关心的产品性能进行仿真分析，可以使试验验证更有针对性，可以减少试验验证的次数，从而降低成本。,3.CAE技术在企业的应用,3.3CAE在产品生命周期中的作用概念设计阶段详细设计阶段制造阶段试验阶段市场/销售阶段支持服务阶段报废阶段,3.3CAE在产品生命周期中的作用,3.3.1概念设计阶段概念设计就是根据市场需求、产品功能等进行产品规划和方案设计。CAE分析可以为设计人员提供用户基础设计的验证、不同方案的对比分析，并为企业决策者进行产品决策和商务决策提供参考；它能够回答企业是否在预定的时间、预定的成本以及现有的设备能力等约束条件下完成用户需求的开发设计和制造任务。,3.3CAE在产品生命周期中的作用,3.3.2详细设计阶段在此阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计、直到图纸、材料、制造工艺等。CAE仿真分析就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由设计工程师和制造工艺师参与完成。,3.3CAE在产品生命周期中的作用,3.3.3制造阶段这个阶段是产品实物制造的阶段。CAE分析技术可以优化产品制造的工艺流程、减少废料、简化工艺步骤，找出、并消除那些可能导致产品缺陷的设计要素，仿真分析技术在提高产品“可生产性”的同时也可以大大减少售后服务成本。而一些新的制造工艺流程还可以通过仿真分析来确定其中的某些重要参数，如温度、压力和速度等。,3.3CAE在产品生命周期中的作用,3.3.4试验阶段试验阶段是设计完成后的关键阶段。CAE仿真分析可使物理试验更快获得通过。可以“透视”整个样机的试验，显示出所有检测点的数据，测试工程师利用仿真软件，在实际试验之前就掌握最佳测试方法和最可能的载荷/激励位置，从而显著地减少试验时间，尽可能避免在试验现场进行“猜测”。,3.3CAE在产品生命周期中的作用,3.3.5市场/销售阶段当产品上市销售时，CAE仿真分析可以在推广阶段向客户展示其产品在客户使用环境下的表现，同时仿真分析的结果也可以用到广告中辅佐厂家对产品的介绍。由于仿真分析带来了更好的设计、当然也带来了更好的产品，所以销售也必将增加。,3.3CAE在产品生命周期中的作用,3.3.6支持服务阶段售出的产品都需要技术支持、保养维护、检查、修理。仿真分析技术可以指导现场的维修及备件更换，确保问题的解决，使产品保持原设计的功能。3.3.7报废阶段产品的使用寿命到期之后，就必须报废或回收。利用仿真分析可以选择合适的工艺、材料、以及经济、可行的回收方式。,3.CAE技术在企业的应用,3.4CAE在制造业企业的应用3.4.1CAE应用条件企业高层对CAE的重视和理解CAE分析人员适当的软硬件投入,3.4CAE在制造业企业的应用,3.4.2CAE应用流程CAE必须融入产品设计的全过程，设计和分析同步，才能使其作用最大化。,概念设计概念分析,详细设计前期分析与优化,修改设计后期验证分析,必要的样件测试及验证,开始,设计过程,结束,产品理想的现代设计过程,3.4CAE在制造业企业的应用,3.4.2CAE应用流程准备软硬件，即根据分析对象及分析的问题选择合适的CAD三维造型软件和CAE分析软件，准备相应工作站；建立几何模型和CAE分析模型，注意模型与实物的差异，对模型进行计算并处理分析结果；根据分析结果对产品或样件进行相应的物理验证试验，包括材料试验、应力测量试验、疲劳试验等，必要时要根据试验结果对模型进行修正；进行知识固化，将企业的历史设计、试验、分析数据进行整理和总结，形成一套规范的体系；建立CAE分析数据库，完善产品的数据管理。,3.4CAE在制造业企业的应用,3.4.3CAE应用效果评估CAE的价值是解决实际工程问题，即在较短的时间内提出可靠的解决方案并取得实际效果，同时CAE又是一项长期的工作，需要积累大量的试验数据，不断修正CAE模型，形成企业化的CAE，也需要大量人力、物力的投入，不是买几套软件、引进几个CAE工程师就能立竿见影收到成效。因此企业对CAE评估也应该是长期评估，可以从以下两个方面来进行：直接费用：试验成本，产品优化后节省的成本等间接费用：时间效益（开发周期）和产品竞争力,3.4CAE在制造业企业的应用,3.4.4CAE普及应用面临的问题CAE分析流程的规范化和标准化建立统一的参数模型非常困难，CAE分析就是要解决各种参数，如网格大小、材料参数、边界条件简化及定义方法，与产品的种类、型号、分析的目的、分析软件都有关系。需要不断地累计经验，并与大量的试验数据对比进行修正和完善，最终建立一个完整的CAE分析数据库（包括材料库、模型库、知识库等）。,3.4CAE在制造业企业的应用,3.4.4CAE普及应用面临的问题缺乏对材料、边界条件的试验数据积累原材料厂商无法提供详细准确的材料数据；缺乏适合国内道路的路谱数据(针对汽车行业)；试验部门能力有限，且有限的数据积累无法有效地转化为企业知识为CAE分析所用。,3.4CAE在制造业企业的应用,3.4.4CAE普及应用面临的问题CAE技术发展越来越专业和细化，不利于推广和应用CAE技术朝着越来越尖端的方向在发展。机械仿真、动力学仿真、流体动力学、流固耦合、多目标优化、结构优化、拓扑优化、多物理场越来越多的学科在被划分，再把这些分工细微的学科放在特定的行业，又衍生出特定的解决方案，CAE技术的越分越细，对分析人员要求越来越高，非常不利于CAE技术的推广和应用。,4.车轮公司CAE技术应用,4.1CAE技术应用概述技术来源现已具备的分析能力CAE分析工作流程轻轿车轮的强度与疲劳寿命分析流程,4.1CAE技术应用概述,4.1.1技术来源1998年投资9万元购买NASTRAN分析软件2001年投资40万元购买I-Deas分析软件及工作站2004年投资30万元与清华大学进行轿车车轮的疲劳分析项目合作，2007年已完成该项目2007年投资40万元与清华大学进行载货汽车车轮的疲劳分析项目合作2008年投资30万元与清华大学进行汽车车轮成形工艺分析项目合作,4.1CAE技术应用概述,4.1.2现已具备的分析能力轻轿车轮和卡车车轮的结构分析，优化车轮结构轻轿车轮的轻量化设计，最大限度减轻车轮自重，降低生产成本轻轿车轮的材料验证分析方法，根据材料疲劳参数，可得到不同材料的车轮在实际道路上的承载能力预测轻轿车轮的疲劳寿命及道路行驶里程,4.1CAE技术应用概述,4.1.3CAE分析工作流程了解所分析产品的功能或者要解决问题的性质，确定分析目的和内容；进行准备工作，包括与设计人员的协调；产品实物状态分析，必要时进行扫描；建立CAD几何模型，可根据实物扫描结果进行修正；进行CAD与CAE分析软件的数据转换，几何模型的清理、简化；,4.1CAE技术应用概述,4.1.3CAE分析工作流程确定材料属性，根据分析目的及模型特点，选择适当的单元类型；根据计算机能力和要求的精度确定合适的网格大小，划分网格，并检查网格的质量；施加载荷和边界条件；分析计算；结果的后处理，对计算结果进行分析；得出结论，撰写分析报告，必要时提出改进方案并进行验证。,4.1CAE技术应用概述,4.1.4轻轿车轮的强度与疲劳寿命分析流程车轮静态应力分析,4.1CAE技术应用概述,4