模块二单元二 计算机辅助工程CAE - 副本

模块二现代制造工程技术单元二计算机辅助工程CAE现代制造技术与检测学习目标知识目标了解计算仿真CAE的定义；掌握CAE的作用。能力目标能理计算仿真CAE的内涵；能阐述CAE的作用。素养目标通过本单元的学习提升学生对所学专业的认知水平及兴趣程度，进而建立起坚定的专业信心。一、计算机辅助工程（CAE）技术1.计算机辅助工程（CAE）技术的定义•CAE通常是指应用让算机及相关软件系统对产品的性能与安全可靠性进行分析，对其未来的工作状态和运行行为进行仿真模拟，以便及早发现设计中的缺陷，证实所设计产品的功能可用性和性能可靠性•从广义来说，CAE是CAD技术的一个组成部分，是对产品设计模型不断优化完善的设计活动•CAE系统的功能模型如图2-5所示图2-5CAE系统的功能模型一、计算机辅助工程（CAE）技术•图2-5CAE系统的功能模型•当前，CAE技术一般用于如下设计领域:•（1）产品结构分析•应用有限元分析法对产品结构的静/动态特性、热变形、磁场强度等产品结构性能进行分析，包括自动划分有限元网格，建立有限元分析模型，有限单元求解计算，输出产品在给定工况条件下的应力场、应变场、温度场等有限元分析结果等，如图2-6所示为叶轮的CAE结构分析。图2-6叶轮的CAE结构分析一、计算机辅助工程（CAE）技术•图2-6叶轮的CAE结构分析•（2）优化设计•优化设计是现代产品设计中具有高速度、高性能和良好市场竞争力的技术手段之一。应用优化设计软件工具，通过对设计参数的改变，使产品的外形结构、体积、质量、强度、动态特性、热稳定性等设计指标达到最优化水平。•（3）仿真模拟图2-7汽车模拟碰撞二、CAE的组成及发展方向•CAE作为一项集应用计算力学、计算数学、信息科学、计算机图形学等相关科学与技术为一体的综合性工程技术，是支持设计人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段它对教学、科研、设计、生产、管理、决策等部门都有很大的应用价值•一方面，CAE的应用可使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答•另一方面，使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间避免了低水平重复工作，使工程分析作业更快、更准确地得到实施•目前，CAE已广泛地应用于国民经济的各个方面，如船舶、汽车、飞机、电站、水坝、桥梁、隧道等，在工程和产品的设计、分析及新产品开发等方面发挥了重要作用二、CAE的组成及发展方向•CAE的作用可以归纳为如下几个方面:•1）增加了设计功能，可提高产品设计的合理性，减少设计成本•2）可在产品开发早期便能洞察产品性能，更改产品设计，减少设计反复，缩短产品的开发周期•3）可定量比较设计方案的优劣，以获取最佳的设计方案，保证产品设计质量二、CAE的组成及发展方向•4）以“虚拟样机”替代“物理机”进行各种仿真试验，可降低资源消耗，减少试验•时间和经费，可预测产品整个生命周期的可靠性•5）可根据设计方案对产品性能的影响来制定设计决策，帮助设计团队管控风险•6）集成的CAE数据和过程管理，可提高设计团队的设计开发能力二、CAE的组成及发展方向•机械工程领域的CAE主要包含如下功能范畴:•（1）有限元分析•有限元分析可分为静力学分析和动力学分析。静力学分析有各种线性与非线性结构的弹性、弹塑性、蠕变、膨胀、疲劳、断裂、损伤以及弹塑性接触在内的应力应变分析等:动力学分析包括各种线性与非线性动载荷、爆炸以及冲击载荷作用下的振动模态分析，交变载荷与谐波响应分析，随机振动分析，屈曲与稳定性分析等•（2）优化设计二、CAE的组成及发展方向•在满足设计、工艺约束条件下，对产品几何结构、工艺参数、形状参数等进行优化，使产品结构性能、工艺过程达到最优化。•（3）仿真模拟•应用运动学、动力学理论与方法，对运动机构和产品数据模型进行运动学、动力学仿真，检验机构可能存在的运动干涉以及产品性能的运行状态。•（4）在电磁场、电流场、热力场、流体场以及声波场领域的应用二、CAE的组成及发展方向•它包括静态和交变的电磁场分析、电磁结构耦合分析、热传导分析、相变分析、热流耦合分析、静态和动态声波及噪声分析等。•在机械工程领域，应用最多的计算机辅助工程分析为有限元分析、优化设计以及动态仿真模拟等•随着工业需求的提升和技术的进步，CAE在多个行业中的应用越来越广泛，体现在以下的发展趋势中：•（1）软件一体化二、CAE的组成及发展方向•随着产品设计质量和速度的要求越来越高，仿真分析将更早的融入设计阶段，这就要求CAD和CAE软件能集成在一起，实现一体化，加速设计迭代过程，更快速的优化产品的质量和性能，同时减少产品实物制样的成本，提高产品的市场竞争力。•（2）多尺度分析•随着新材料的广泛应用，传统的单一尺度分析已无法满足精确模拟的需求，多尺度分析成为解决这一问题的关键，多尺度分析是一种考虑多个长度和时间尺度的仿真方法。多尺度模型涉及大量复杂的微观结构和多种物理场的交互作用。解决方法包括采用均质化技术和多尺度有限元分析方法。例如在增材制造（3D打印）领域中的点阵结构，•（3）多物理场耦合分析二、CAE的组成及发展方向•现代工程项目往往涉及多种物理场的交互作用，如流场、温度场、电磁场等。因此，多物理场耦合分析成为CAE技术的重要发展方向，它能够更真实地模拟和分析复杂环境下的产品行为。例如涡轮发动机在高速运转时涉及到热传递、振动、空气流动压缩等多个物理场相互作用。•（4）高性能计算环境部署•随着仿真任务越来越复杂，CAE软件也需要高性能计算环境。通过选择合适的整体解决方案、优化硬件架构、配置高效存储系统、搭建高速网络、部署强大的软件系统和管理工具，提升仿真效率和精度，推动工程设计和科学研究的进步。例如中科曙光提供的CAD/CAE一体化高性能计算解决方案，包括专用高端图形服务器、多种刀片•（5）云平台部署二、CAE的组成及发展方向•利用云计算平台的优势，CAE软件可以实现极简托管和快速部署。这种部署方式支持从源代码、软件包或容器镜像的快速部署，并实现自动弹性伸缩以应对不可预期的用户访问流量。云平台还提供了强大的计算资源和存储空间，使得大规模模型计算和数据文件管理更为高效。•计算机辅助工程（CAE）的未来发展方向显示出多元化和技术融合的趋势•这些发展不仅会增强CAE在传统工业领域的应用能力，还将使其在高科技和智能制造领域中发挥更大的作用•【拓展阅读】近年来在工业信息化高速发展的背景下，CAE软件的重要性在我国显著提升，企业在产品设计与生命周期各阶段对CAE软件的需求不断增加，在各领域的应用日益广泛二、CAE的组成及发