CAD与CAE领域的相结合

CAD与CAE领域的相结合CAD与CAE既是两个相互独立的领域，也是相互关联的领域。是产品开发设计流程中的两个阶段，提到“逆向工程，布置加强筋”这些功能，似乎所有人都会认为这些应该是CAD软件应该具备的功能，但随着软件技术的发展以及用户工程应用需求的专业化，细分化，这些功能名词要突破狭义的理解了。一些CAE软件在试图集成这些功能，使得设计流程更加简化，提高工作效率。 CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (计算机辅助绘图)的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计；真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分；于是CAD的缩写也由Computer Aided Drafting 改为 Computer Aided Design，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。 CAE 是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。 有限元分析在CAE中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。1 CAE软件中的设计功能 CAE软件引入CAD的部分概念，是市场发展的需要，是针对设计研发手段非常有益的补充。企业设计部门，CAE部门对软件的专业性的要求越来越强烈，通用性的软件已经不能很好的满足其研发流程的需求。因此也引导软件业的转型，更多的软件商开始着眼于私人订制，为客户量身打造专业工具。使软件工具更加能发挥出其节约时间成本，人力成本，提高效率的重要作用。那么，什么是“逆向工程”、“加强筋布置”，CAE软件中“逆向工程”、“加强筋布置”引入有哪些优势呢？ 逆向工程 广义的逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。 狭义的逆向工程是指逆向造型，采用三坐标测量仪器或CT设备对油泥模型或参照样本进行扫描，获得被捕捉的点云信息，再采用CAD软件对点云进行几何构形的设计过程。因此，在设计过程中一提到逆向技术，人们首先想到的就是具备逆向功能的CAD软件：Catia，NX，RapidForm，Geomagic Studio等等。 在众多的产品概念设计中也就形成了如下图所示的流程，在这个流程中存在哪些繁琐程序呢？图1 产品设计流程 如果提高逆向建模的自动化程度，并将此功能与CAD建模功能集成到CAE软件中，势必会减少数据传递次数，简化设计流程，CAE工程师完成最优结构方案后，再转给CAD工程师做工艺设计。这种CAE软件已经出现，这一方面增加了企业需求软件的选择项，同时也更加节约采购成本，人员成本，时间成本。图2 CAE中的逆向功能 布置加强筋 结构设计中经常涉及加强筋的处理，往往CAE工程师需要把优化思想告知设计工程师，由设计工程师修改几何模型的形式改变加强筋的尺寸和布局。但有时设计工程师不能完全理解CAE工程师的想法，造成了工程反复，降低了工作效率。 如能在有限元网格模型上直接生成，编辑，布置加强筋，则会大幅度提高设计效率。图3 有限元网格模型上直接布置加强筋 之所以可以在有限元软件中实现逆向工程，加强筋布置这一类的功能，是基于了真正的有限元网格与几何的关联技术，此技术的意义就在于将几何特征建立在网格结构基础上，由面网格单元的组合构成了面特征，网格单元边构成了线特征。图4 有限元网格与几何的关联技术2 CAE软件的分类与选型 CAE软件的飞速发展应该是从上世纪90年代开始，由最初寥寥无几，可以数的过来的几款软件，到现在成千上百种工程软件。从CAE技术发展来看，主要有3种技术：有限元法（Finite Element Method）、边界元法（Boundary Element Method）、差分法（Finite Difference Method），应用最多、最广的为有限元法，所以有些人称CAE为有限元分析。目前，CAE技术的应用范围几乎覆盖了设计领域的各个方面，大型通用有限元软件能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、（噪）声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、磁场、流体动力学、惯性释放及结构优化和可靠性设计等问题。对制造领域而言，目前的专业软件能够解决金属制造过程，如铸造、锻压、挤压、冲压、切削等问题，对塑胶类可以进行模流分析、粉末冶金等等。 CAE软件的分类方式有多种，比如软件系统构成、软件的求解范围等。按照软件系统构成来说，一般有3种类型：具有前后处理两方面功能的专用软件（HyperWorks、Ansa、TSV等），只具备求解功能的软件（Ls-Dyna、Nastran等），前后处理和求解器连为一体的软件（Abaqus、Ansys等）；按照软件的求解范围可以分为两类，一类是大型通用有限元软件，另一类是专用有限元软件，大型通用结构有限元软件包括Nastran、Ansys、MARC、LS-DYNA、NX-Nastran等，某个领域的专用有限元分析如PAM-STAMP（冲压）、Deform（锻压、挤压）、Dynaform（冲压）、MoldFlow（模流分析）等等。 因此，对于企业的IT部门、设计部门而言，面对着纷繁复杂的软件市场，选择适合自己需求的软件工具，也变得更加谨慎和理性了。企业在CAE软件选择上也形成了两种阵营，集成型和专业型。 所谓集成型，即将大型CAD软件中集成相关CAE功能，可以求解简单的线性问题。集成型软件因为将CAD，CAE结合在一个系统中，对技术人员专业度要求低，操作简便，效率高，适合产品改型的快速决策。中小企业，以及零部件企业，因为产品种类多，型号多，而且设计周期短，因此适合选用集成性的软件系统。 再来看看专业型，在大型科研机构、企业，有着完善的设计部门，CAD和CAE在组织结构上分立出来，突出了各环节的专业技能，这种结构需要专业性的软件支撑。而单独看CAE软件也分成了集成和专业两种，CAE流程一般包含三步：前处理，求解，后处理。CAE软件有将三步集成到一起的,如Abaqus/CAE，Nastran FX，TSV-Desinger；也有专业的前处理软件（Hypermesh，Ansa，TSV-Pre等），专业的求解器（Abaqus，Nastran 等），专业的后处理器（TSV-Post，meta等）。 过去很多企业遇到了同样的问题，采购了很多功能丰富的大型软件，可是实际应用中也就是仅有的一些功能。一方面是客户有限的使用，一方面是软件厂商为了满足市场需要不断丰富软件功能。如何在矛盾中寻求共同利益点。这就需要转变采购思路，由以前的选型粗放型，转变为选型集约型，目前很多企业已经在这样做了。 现在的软件市场已经不是十几年前两三家独大的局面了，是百花齐放的市场，品牌可以增加诚信度，但更重要的是实实在在的为客户解决问题的软件功能。 企业在选型中也需要从自身需求入手，寻找适合自己的软件。现在的软件市场是需求为导向的市场，无论是作为客户的企业，还是作为供应商的软件公司，都要转变思路。 布置加强筋 结构设计中经常涉及加强筋的处理，往往CAE工程师需要把优化思想告知设计工程师，由设计工程师修改几何模型的形式改变加强筋的尺寸和布局。但有时设计工程师不能完全理解CAE工程师的想法，造成了工程反复，降低了工作效率。 如能在有限元网格模型上直接生成，编辑，布置加强筋，则会大幅度提高设计效率。图3 有限元网格模型上直接布置加强筋 之所以可以在有限元软件中实现逆向工程，加强筋布置这一类的功能，是基于了真正的有限元网格与几何的关联技术，此技术的意义就在于将几何特征建立在网格结构基础上，由面网格单元的组合构成了面特征，网格单元边构成了线特征。图4 有限元网格与几何的关联技术2 CAE软件的分类与选型 CAE软件的飞速发展应该是从上世纪90年代开始，由最初寥寥无几，可以数的过来的几款软件，到现在成千上百种工程软件。从CAE技术发展来看，主要有3种技术：有限元法（Finite Element Method）、边界元法（Boundary Element Method）、差分法（Finite Difference Method），应用最多、最广的为有限元法，所以有些人称CAE为有限元分析。目前，CAE技术的应用范围几乎覆盖了设计领域的各个方面，大型通用有限元软件能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、（噪）声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、磁场、流体动力学、惯性释放及结构优化和可靠性设计等问题。对制造领域而言，目前的专业软件能够解决金属制造过程，如铸造、锻压、挤压、冲压、切削等问题，对塑胶类可以进行模流分析、粉末冶金等等。 CAE软件的分类方式有多种，比如软件系统构成、软件的求解范围等。按照软件系统构成来说，一般有3种类型：具有前后处理两方面功能的专用软件（HyperWorks、Ansa、TSV等），只具备求解功能的软件（Ls-Dyna、Nastran等），前后处理和求解器连为一体的软件（Abaqus、Ansys等）；按照软件的求解范围可以分为两类，一类是大型通用有限元软件，另一类是专用有限元软件，大型通用结构有限元软件包括Nastran、Ansys、MARC、LS-DYNA、NX-Nastran等，某个领域的专用有限元分析如PAM-STAMP（冲压）、Deform（锻压、挤压）、Dynaform（冲压）、MoldFlow（模流分析）等等。 因此，对于企业的IT部门、设计部门而言，面对着纷繁复杂的软件市场，选择适合自己需求的软件工具，也变得更加谨慎和理性了。企业在CAE软件选择上也形成了两种阵营，集成型和专业型。 所谓集成型，即将大型CAD软件中集成相关CAE功能，可以求解简单的线性问题。集成型软件因为将CAD，CAE结合在一个系统中，对技术人员专业度要求低，操作简便，效率高，适合产品改型的快速决策。中小企业，以及零部件企业，因为产品种类多，型号多，而且设计周期短，因此适合选用集成性的软件系统。 再来看看专业型，在大型科研机构、企业，有着完善的设计部门，CAD和CAE在组织结构上分立出来，突出了各环节的专业技能，这种结构需要专业性的软件支撑。而单独看CAE软件也分成了集成和专业两种，CAE流程一般包含三步：前处理，求解，后处理。CAE软件有将三步集成到一起的,如Abaqus/CAE，Nastran FX，TSV-Desinger；也有专业的前处理软件（Hypermesh，Ansa，TSV-Pre等），专业的求解器（Abaqus，Nastran 等），专业的后处理器（TSV-Post，meta等）。 过去很多企业遇到了同样的问题，采购了很多功能丰富的大型软件，可是实际应用中也就是仅有的一些功能。一