CAE軟件及其運用現(xiàn)狀分析

1、計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用計算機仿真的用途非常廣泛已經(jīng)滲透到社會的各個領(lǐng)域，不斷促進(jìn)了各行各業(yè)的發(fā)展，為各行各業(yè)注入了一股新的活力。1. 交通領(lǐng)域：交通是由人、車、路和環(huán)境構(gòu)成的一個復(fù)雜人機系統(tǒng)，事故的誘發(fā)因素是多方面因素的綜合。交通安全的評價，應(yīng)該充分考慮人、車、路和環(huán)境諸方面因素的作用和影響。本交通安全仿真是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的方法。該評價體系是通過建立虛擬環(huán)境，并在這個虛擬環(huán)境中設(shè)計各種事故誘發(fā)因素，并對某區(qū)域和某路段的交通安全水平進(jìn)行全過程（設(shè)計后，施工中，運營后）的跟蹤和評價。交通安全仿真及評價系統(tǒng)的核心部分就是計算機的仿真。該仿真過程不同與傳統(tǒng)的數(shù)值仿真，它是一種可視化的仿真。例如，對某路

2、段的交通安全評價，除了使用傳統(tǒng)的絕對數(shù)法和事故率法來評價外，再將交通參與者的感知和行為也考慮進(jìn)去。在該虛擬環(huán)境中，可以選擇不同的運載工具，設(shè)置不同的交通環(huán)境，以交通參與者或第三者的角度來進(jìn)行事故的可能性試驗與分析，從而實現(xiàn)了對路段的安全性的評價。同時為交通沒施的建設(shè)和改進(jìn)提供了依據(jù)，為交通事故分析提供了一種新的方法。2. 制造領(lǐng)域：汽車制造是機械行業(yè)的一個重要組成部分。它有很多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機仿真技術(shù)的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發(fā)動機方面，裝甲兵工程學(xué)院機械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機起動過程的計算機仿真模型，其仿真結(jié)果與實際測量值比較吻合，可用于多缸柴油機的

3、起動性能仿真。江蘇理工大學(xué)的蔡憶昔實現(xiàn)了對進(jìn)氣管內(nèi)氣體流動的動態(tài)仿真，直觀描述了瞬態(tài)過程，為多缸發(fā)動機換氣過程的研究提供了有效的方法。汽車流場方面，華東理工大學(xué)信息學(xué)院的呂明忠博士等成功的模擬出了汽車尾流場的氣流分離和拖曳渦現(xiàn)象，建立了兩種車型的汽車外流場空氣動力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真實驗，取得了滿意結(jié)果。碰撞實驗方面，浙江大學(xué)動力機械及車輛工程研究所的詹樟松博士根據(jù)汽車碰撞的事故形態(tài)與乘員傷害之間的規(guī)律，建立了乘員動力學(xué)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)出了相應(yīng)的仿真軟件，該系統(tǒng)可部分代替實車碰撞實驗進(jìn)行汽車被動安全性能的研究。其他方面，例如，汽車工程學(xué)院的熊堅對汽車的制動過程進(jìn)行了仿真研究，一汽大眾汽車

4、有限公司的姚革等通過仿真研究了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性問題等3. 教育領(lǐng)域：計算機模擬實驗又稱計算機仿真實驗或計算機虛擬實驗，是近幾年在計算機多媒體教學(xué)中開辟的新領(lǐng)域。它通過計算機把實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機地融合為一體，形成了一部活的、可操作的物理實驗教科書和根據(jù)需要在瞬間建立的模擬實驗室。計算機模擬物理實驗的出現(xiàn)打破了教與學(xué)、理論與實驗、課內(nèi)與課外的界限，它更加強調(diào)實驗的設(shè)計思想和實驗方法，更強調(diào)實驗者的主動學(xué)習(xí)；通過計算機模擬實驗，學(xué)生對物理思想、方法、儀器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理的理解，都可以達(dá)到訓(xùn)練實驗技能、學(xué)習(xí)物理知識的目的，增強了學(xué)生對物理實驗的興趣，提高了物理實驗的水平。目前

5、，模擬實驗已成為現(xiàn)代化物理實驗的重要手段。計算機模擬實驗系統(tǒng)運用了人工智能、控制理論和教師專家系統(tǒng)對物理實驗和物理儀器建立其內(nèi)在模型，用計算機可操作的仿真方式，實現(xiàn)了物理實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。CAE軟件的運用分析目前，CAE軟件在國內(nèi)主要應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、土木工程、石油等行業(yè)，在汽車行業(yè)的應(yīng)用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件和行業(yè)專用軟件。汽車行業(yè)在國外是有限元軟件的主要應(yīng)用行業(yè)，其所涉及的專業(yè)領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，并且應(yīng)用歷史長、應(yīng)用成熟度高。目前，國內(nèi)常見的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran

6、,這些軟件在美國的汽車廠商中都有著廣泛的應(yīng)用。由于有限元技術(shù)的特點，使得前處理成為了一個相對獨立，而又十分重要的部分。一些大型企業(yè)都采用了適應(yīng)自己需求的前后處理軟件。這些前后處理軟件都具有良好的接口，可與眾多的有限元求解軟件相結(jié)合，以便用戶更快、更方便地解算問題。求解軟件可以說是琳瑯滿目，通常的求解軟件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。這些軟件都有著各自的特點，在行業(yè)內(nèi)，一般將其分為線性分析軟件和非線性軟件，例如ANSYS、ALGOR都在線性分析方面具有自己的優(yōu)勢，而ABAQUS、NASTRA

7、N、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點，其中ABAQUS被認(rèn)為是最優(yōu)秀的非線性求解軟件。近年來，分析軟件正朝著多物理場的方向發(fā)展。大家可以通過業(yè)內(nèi)一些公司的舉動感受到這一點，例如，ANSYS公司收購CFX流體軟件，并加強與EMSS公司的合作，不斷加強其多物理場耦合的功能。在這里需要提到的是，由于歷史原因，ALGOR繼承了SAP的模塊化思想，在多物理場分析方面也有很好的應(yīng)用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。由于解算多物理場問題更多是從物理方程出發(fā)，因此另外還有一些軟件在這方面有著良好的應(yīng)用，比如MathWorks公司在數(shù)值計算軟件MATLAB基礎(chǔ)上發(fā)展起來的FEML

8、AB，又如國內(nèi)飛箭公司針對微分方程的FEPG系統(tǒng)。此外，專用有限元軟件受其應(yīng)用領(lǐng)域的限制，只能在各自的行業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件，可進(jìn)行各種金屬材料澆鑄、流動性、固化、壓力、應(yīng)力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據(jù)計算結(jié)果更改設(shè)計，調(diào)整帽口的位置和數(shù)量，進(jìn)而提高鑄造質(zhì)量。又如，法國ESI公司的ProCAST，其與MAGMA是競爭關(guān)系，軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領(lǐng)域應(yīng)用比較多的Deform系統(tǒng)，也得到了國內(nèi)很多企業(yè)的認(rèn)可。在板材成型行業(yè)里，有AUTOFORM系列軟件，該軟件單元架構(gòu)基于膜單元形式，因此其運算速度在同行業(yè)內(nèi)相對較快。MSC/D

9、YTRAN,其特有的材料流動性分析可直觀地預(yù)測出沖壓件厚度及應(yīng)力分布、開裂和皺褶的形成等。另外，來自ETA公司的DYNAFORM可以預(yù)測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計提供幫助。由于這一類分析工作與模具設(shè)計有著非常大的關(guān)聯(lián)，因此以上這些軟件都注重與CAD軟件的接口，基本都與流行的三維設(shè)計軟件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有著良好的接口，軟件的使用操作也都比較方便。另外，在汽車行業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常要對整車進(jìn)行機械動力學(xué)仿真，在這一領(lǐng)域中，國內(nèi)常見的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動態(tài)仿

10、真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時選用，以準(zhǔn)確地建立輪胎的動力學(xué)模型。ADAMS中的CAR模塊專為汽車動力學(xué)仿真而設(shè)計，使用十分方便。另外在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的還有美國ETA公司的VPG，VPG(VirtualProvingGround)虛擬試驗場是ETA公司長期總結(jié)汽車分析工程經(jīng)驗，在LD-DANA平臺上開發(fā)的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的專門應(yīng)用于汽車工程的軟件oVPG主要被應(yīng)用于當(dāng)前汽車產(chǎn)品開發(fā)中的重點整車系統(tǒng)疲勞、整車系統(tǒng)動力學(xué)、NVH和整車碰撞安全及乘員保護(hù)等熱門問題。另外市場上還有一些專業(yè)軟件，例如，LMS公司的噪音分析軟件SYSNOISE，

11、MSC公司的疲勞分析軟件MSC/Fatigue,nCode公司的Fatigue，奧地利MAGMA公司的熱疲勞分析軟件FEMFT等。ABAQUS介紹一、Abaqus簡介ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題°ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題

12、，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透/應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析。ABAQUS為用戶提供了廣泛的功能，且使用起來又非常簡單。大量的復(fù)雜問題可以通過選項塊的不同組合很容易的模擬出來。例如，對于復(fù)雜多構(gòu)件問題的模擬是通過把定義每一構(gòu)件的幾何尺寸的選項塊與相應(yīng)的材料性質(zhì)選項塊結(jié)合起來。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。在一個非線性分析中，ABAQUS能自動選擇相應(yīng)載荷增量和收斂限度。他不僅能夠選擇合適參數(shù)，而且能連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)以保證在分析過程中有效地得到精確解。用戶通過準(zhǔn)確的定義參數(shù)就能很好

13、的控制數(shù)值計算結(jié)果。ABAQUS有兩個主求解器模塊一ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS還包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機交互前后處理模塊ABAQUS/CAE。ABAQUS對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS的系統(tǒng)級分析的特點相對于其他的分析軟件來說是獨一無二的。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系

14、統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。ABAQUS產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。二、Abaqus/CAE模塊囹快速地創(chuàng)建高質(zhì)量的模型熟悉現(xiàn)代CAD系統(tǒng)的用戶欣賞基于特征的、參數(shù)化建模方法所帶來的高效率和機動性。ABAQUS/CAE是唯一提供這種幾何建模方法的有限元前處理程序。用戶能夠創(chuàng)建參數(shù)化幾何體如：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略、倒角和放樣。同時也能夠由各種流行的CAD系統(tǒng)導(dǎo)入幾何體，并運用上述建模方法進(jìn)行進(jìn)一步編輯。囹全面支持ABAQUS的分析功能ABAQUS/CAE支持廣泛的ABAQUS分析功能并且為初學(xué)者和經(jīng)驗豐富的用戶提供人機交互的使用環(huán)境。熟悉的ABAQ

15、US分析概念，如分析步、接觸、約束和預(yù)設(shè)條件等，能夠通過操作簡便的界面得以實現(xiàn)。ABAQUS/CAE還提供了完全的后處理和可視化功能，即使最大規(guī)模的ABAQUS分析結(jié)果也可以高速、高質(zhì)量地進(jìn)行繪圖。囹混合建模方法的使用在實際的分析過程中，幾何體和網(wǎng)格體往往共同存在于模型中，ABAQUS/CAE通過混合建模方法能夠非常容易的處理這種情況。用戶可以處理基于幾何體的數(shù)據(jù)，同時也可以處理導(dǎo)入的純的節(jié)點和單元數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)沒有任何幾何拓?fù)潢P(guān)系。接觸、載荷以及邊界條件能夠施加在幾何體上或者直接施加在單元的節(jié)點、邊或面上。這種允許幾何體與網(wǎng)格體混合使用的建模環(huán)境，為用戶分析特定問題提供了最佳的靈活性。流程化

16、和自動化處理ABAQUS/CAE建立在一個開放的可拓展的平臺之上，這使得用戶可以對成熟的工作流程進(jìn)行二次開發(fā)。從基本的宏功能和重放文件到完全集成的企業(yè)級應(yīng)用，ABAQUS/CAE提供了一個豐富的工具包來自動化處理各種任務(wù)和流程，并容易將ABAQUS的有限元分析功能向更廣闊的用戶群推廣。三、Standard模塊0解決各種實際問題ABAQUS/Standard為工程師和分析專家提供強有力的工具來解決許多工程問題：從線性靜態(tài)、動態(tài)分析到復(fù)雜的非線性耦合物理場分析。結(jié)合使用ABAQUS/Standard與ABAQUS/Explicit，利用兩者的隱式和顯式求解技術(shù)，可以讓更多實際問題獲得求解。0精確、

17、可靠的分析分析一項工程問題所使用工具的質(zhì)量，極大地影響該問題求解的可靠性和質(zhì)量。我們對ABAQUS/Standard的每一個版本，在所有支持的計算機平臺上，都進(jìn)行一整套完整的測試；包括13,000次的回歸測試以及對許多客戶模型的測試。此外，ABAQUS/Standard有最好的行業(yè)技術(shù)支持和完備的手冊做后盾，用戶完全可以放心的使用該產(chǎn)品。開發(fā)高效求解技術(shù)對于絕大多數(shù)復(fù)雜問題的求解來說，高效可靠的求解過程是非常重要的。ABAQUS/Standard提供并行的稀疏矩陣求解器。該求解器對各種大規(guī)模計算問題都能十分可靠地快速求解。不僅如此，ABAQUS/Standard還包含許多新穎的求解技巧來提高求

18、解速度。改進(jìn)現(xiàn)有工作流程業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的ABAQUS/Standard分析能力，結(jié)合與現(xiàn)有前后處理器的兼容能力，使ABAQUS常常成為用戶的唯一選擇：用戶可以把他們所有的有限元分析需求全部集成在ABAQUS中進(jìn)行求解。ABAQUS/Standard不僅可以在現(xiàn)有的工作流程中方便的使用，還可以借助它強大的功能顯著的改進(jìn)現(xiàn)有的工作流程。四、Explicit模塊0求解復(fù)雜的非線性問題ABAQUS/Explicit是求解復(fù)雜非線性動力學(xué)問題和準(zhǔn)靜態(tài)問題的理想程序，特別是用于模擬沖擊和其它高度不連續(xù)事件。ABAQUS/Explicit不但支持應(yīng)力/位移分析而且還支持完全耦合的瞬態(tài)溫度位移分析、聲固耦合分析。ABAQUS/Explicit與ABAQUS/Standard有機的結(jié)合，使求解能力更加強大和靈活。任意的拉格朗