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計算機輔助工程（CAE）王建明山東大學機械工程學院CAD/CAM研究所1/24什么是計算機輔助工程（CAE）CAE=在產(chǎn)品研發(fā)過程中，利用計算機進行建模及性能仿真分析性能仿真內(nèi)容包括產(chǎn)品（或系統(tǒng)）力學性能（變形，應力）、熱學性能、流動性能、振動特征和噪聲控制等可替換大多數(shù)昂貴而費時物理樣機試驗，即用數(shù)字化樣機取代傳統(tǒng)物理樣機試驗廣泛應用于各工業(yè)領(lǐng)域2/24為何要采取CAE波音777研發(fā)過程中采取CAE數(shù)字化樣機技術(shù)，節(jié)約了大量物理樣機試飛次數(shù)，僅一次試飛即取得成功，每次物理樣機試驗需花費1億美元CAE技術(shù)在汽車工業(yè)中應用，使新車開發(fā)周期由原來5~6年縮減到現(xiàn)在1~2年3/24為何要采取CAE美國NASA噴氣推進試驗室（JPL）應用CAE技術(shù)成功地實現(xiàn)了火星探測器“勇氣號”、“機遇號”在火星上軟著陸仿真分析。仿真結(jié)果預測到因為制動火箭和火星風相互作用，使探測器在著陸時可能出現(xiàn)翻滾，從而改進了技術(shù)方案，確保了登陸成功4/24在機械工程中應用5/24在土木工程中應用6/24在航空工程中應用7/24在電子工程中應用8/24在生物工程中應用9/24在畢業(yè)設計中應用—有限元分析10/24在畢業(yè)設計中應用—虛擬樣機設計11/24先進產(chǎn)品研發(fā)系統(tǒng)流程

方案設計

建模

建模物理建模，數(shù)學建模，計算建模

仿真

仿真計算機仿真，解析方法，試驗方法

分析

結(jié)果可視化照片，錄像帶，計算機圖形，虛擬現(xiàn)實

詳細設計

物理樣機制造

物理樣機測試

批量生產(chǎn)

虛擬樣機分析

12/24CAE方法體系機械系統(tǒng)物理模型：結(jié)構(gòu)模型，機構(gòu)模型數(shù)學模型：偏微分方程，常微分方程數(shù)學模型：物體運動：常微分方程，鉸約束：代數(shù)方程解析法：材料力學，彈性力學等數(shù)值法解析法：理論力學，機械原理等數(shù)值法有限差分法FDM有限元法FEM邊界元法BEM有限體積法FVM無網(wǎng)格法Meshfree多體動力學或虛擬樣機結(jié)構(gòu)模型機構(gòu)模型13/24CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

“假如僅有一把錘子，處理問題方法只能是用釘子”

有限元法：CAE最主要方法，求解問題包羅萬象，幾乎涵蓋各個學科及各個工程領(lǐng)域。技術(shù)最成熟，商業(yè)軟件十分豐富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…14/24CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

有限差分法：最早數(shù)值分析方法，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，不需要域積分，建模、計算簡單。適于分析幾何形狀簡單問題，尤其是流動性問題。商業(yè)軟件極少。15/24CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

有限體積法：一個特殊形式有限元法（歐拉結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）。多用于分析流體動力學問題。被大多數(shù)商業(yè)流體分析軟件采取，如FLUENT,CFX…16/24CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

邊界元法：僅在分析域邊界上劃分網(wǎng)格，適于分析無界、連續(xù)介責問題，如聲學問題和波傳輸問題。商業(yè)軟件極少。17/24CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

無網(wǎng)格法：是一個最新數(shù)值分析方法。多用于分析受網(wǎng)格劃分限制，采取有限元法而不易處理問題。如大變形、裂紋擴展、爆炸等，商業(yè)軟件極少。18/24CAE方法體系—數(shù)值分析工具箱

基于多體系統(tǒng)動力學虛擬樣機技術(shù)：針對復雜機械系統(tǒng)整機性能優(yōu)化技術(shù)。所建立復雜機械系統(tǒng)包含機-液-控耦合。商業(yè)分析軟件包含ADAMS,SIMPACK,DADS…19/24與CAE相關(guān)課程材料力學，彈性力學，流體力學，熱力學等理論力學，機械原理，機械振動計算機三維造型（SolidEdge,Pro/E,SolidWork,UG等軟件使用）有限元分析（FEM）(有限元理論及軟件使用如ANSYS,ABAQUS,LS-DYNA…)虛擬樣機理論及應用（多體系統(tǒng)動力學理論及虛擬樣機軟件使用如ADAMS）無網(wǎng)格法理論及應用20/24CAE應用現(xiàn)實狀況現(xiàn)有先進產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)包含:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLifecyeleManagement)CAD已普及（要求每個工程師必須掌握）CAM/PLM仍處于研發(fā)階段CAE在發(fā)達國家及一些大企業(yè)中利用CAE技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品設計以降低成本，縮短研發(fā)周期已達80%~95%CAE應用已含蓋機械工程各個方面（包含運動分析，動力學分析，強度及穩(wěn)定性分析，液壓傳動分析，振動和噪聲控制等）CAE方面專業(yè)人才短缺（包含發(fā)達國家）21/24CAE未來CAD/CAE/CAM/PLM軟件被廣泛應用，其價格低廉（“CAE計算器”）每個工程師都具備CAE知識和能力大規(guī)模、多尺度、多場耦合分析，虛擬工程CAE全球化（如中國、印度工程師承接美國CAE項目）在線分析：基于新一代高速因特網(wǎng)實現(xiàn)軟件共享，協(xié)同分析打好基礎，做好準備