CAE技术在企业的应用

会计学1CAE技术在企业的应用内容

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技术的应用第1页/共58页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。第2页/共58页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CAD／CAM／CAPP／PDM／ERP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。第3页/共58页现代制造业信息化技术CAD–ComputerAidedDesign计算机辅助设计CAE–ComputerAidedEngineering计算机辅助工程CAM–ComputerAidedManufacturing计算机辅助制造CAPP–ComputerAidedProcessPlanning

计算机辅助工艺过程设计PDM–ProductDataManagement

产品数据管理PLM–ProductLifecycleManagement

产品生命周期管理ERP–EnterpriseResourcePlanning企业资源计划BOM–BillofMaterial

物料清单第4页/共58页企业信息化支撑平台企业信息数据库PDM产品数据管理CAMCAECAPPCAD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客户关系管理第5页/共58页一、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）。第6页/共58页一、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第7页/共58页一、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第8页/共58页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CAD软件PDM数据库通用数据扫描数据自身建模CAD接口：直接接口、中间接口缝补丢失的面、体去特征（倒角、小孔、凸台等）分割体、面自动、半自动网格六面体网格特殊单元（焊接单元、弹簧阻尼单元、接触单元）材料、约束、载荷、初始条件机构运动学结构热计算流体动力学(CFD)电磁耦合场(散热、声场)等值线或云图结果查询结果列表动画图表时间历程曲线后处理第9页/共58页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-多物理场优化分析第10页/共58页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

第11页/共58页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/振动第12页/共58页焊接残余应力分析（Sysweld）结构与焊缝布置

焊接过程的温度分布与轴向残余应力

第13页/共58页多工步拉延分析（Dynaform）第二次成形切边翻边-最终工序第一次成形第14页/共58页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)第15页/共58页淬火分析（Ansys）淬火3.06min时的马氏体分布淬火3.06min时的温度分布

第16页/共58页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.第17页/共58页2.1CAE软件的功能2.1.3电磁分析LinFlow颤振分析EMAG有限元法CableMod电缆EMC/SIPCBModPCBEMC/SIFEKO矩量法第18页/共58页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第19页/共58页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气体燃爆第20页/共58页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）,感应振荡第21页/共58页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第22页/共58页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第23页/共58页2.1CAE软件的功能优化分析第24页/共58页2.1CAE软件的功能优化分析第25页/共58页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。第26页/共58页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第27页/共58页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。第28页/共58页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。第29页/共58页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第30页/共58页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。第31页/共58页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。第32页/共58页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。第33页/共58页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”。第34页/共58页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。第35页/共58页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。第36页/共58页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第37页/共58页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第38页/共58页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。第39页/共58页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）和产品竞争力第40页/共58页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）。第41页/共58页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。第42页/共58页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。第43页/共58页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第44页/共58页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第45页/共58页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第46页/共58页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；第47页/共58页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。第48页/共58页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实物扫描车轮建模受力分析有限元计算应力测量验证第49页/共58页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疲劳寿命分析车轮道路试验疲劳寿命计算车轮标定试验车轮模态分析车轮响应分析动静应力关系车轮道路载荷谱车轮道路全应力谱第50页/共58页4.车轮公司CAE技术应用4.2CAE技术应用效果改善车轮结构，提高车轮强度车轮设计轻量化，降低生产成本指导产品设计，减少设计错误及试验次数，减少样件试制次数，缩短产品研发周期提高产品市场竞争力第51页/共58页5.50F-15车轮结构优化分析方案一(原始)二三四五(最优)六七轮辐截面

螺栓孔处最大应力332.05MPa303.40MPa311.76MPa286.91MPa257.89MPa276.16MPa267.16MPa散热孔处最大应力245.96MPa236.25MPa