CAE有限元仿真分析方法的計(jì)算結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

 CAE指工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程CAE(ComputerAidedEngineering)，指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。而CAE軟件可作靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動(dòng)態(tài)分析；研究線(xiàn)性、非線(xiàn)性問(wèn)題；分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。

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 今天，有限元科技小編給大家分享的是：CAE有限元仿真分析方法的計(jì)算結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

 CAE(ComputerAidedEngineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE從60年代初在工程上開(kāi)始應(yīng)用到今天，已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷史，其理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過(guò)程，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中(如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)力學(xué)各類(lèi)問(wèn)題的一種重要手段。

 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要環(huán)節(jié)。CAE系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，即將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿(mǎn)足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

 其基本過(guò)程是將一個(gè)形狀復(fù)雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡(jiǎn)單的子區(qū)域，即將一個(gè)連續(xù)體簡(jiǎn)化為由有限個(gè)單元組合的等效組合體；通過(guò)將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量（應(yīng)力、位移、壓力和溫度等）問(wèn)題簡(jiǎn)化為求解有限的單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量值。此時(shí)得到的基本方程是一個(gè)代數(shù)方程組，而不是原來(lái)描述真實(shí)連續(xù)體場(chǎng)變量的微分方程組。求解后得到近似的數(shù)值解，其近似程度取決于所采用的單元類(lèi)型、數(shù)量以及對(duì)單元的插值函數(shù)。針對(duì)這種情況，表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱(chēng)這一過(guò)程為CAE的后處理。

 CAE計(jì)算機(jī)輔助工程（ComputerAidedEngineering，CAE7zhuan.cn）技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來(lái)，其關(guān)鍵就是將有關(guān)的信息集成，使其產(chǎn)生并存在于工程（產(chǎn)品）的整個(gè)生命周期。因此，CAE系統(tǒng)是一個(gè)包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理及信息流和物流的有機(jī)集成且優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜的系統(tǒng)。從廣義上說(shuō)，計(jì)算機(jī)輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的CAE主要指用計(jì)算機(jī)對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，對(duì)其未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并證實(shí)未來(lái)工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指CAE軟件。CAE軟件可以分為兩類(lèi)：針對(duì)特定類(lèi)型的工程或產(chǎn)品所開(kāi)發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的軟件，稱(chēng)之為專(zhuān)用CAE軟件；可以對(duì)多種類(lèi)型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬和預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱(chēng)之為通用CAE軟件。CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）軟件。

 有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱(chēng)為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無(wú)限接近的解。基于有限元方法的CAE系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，CAE各階段所用的時(shí)間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評(píng)定，而真正的分析計(jì)算時(shí)間只占5%左右。采用CAD技術(shù)來(lái)建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱(chēng)此過(guò)程為CAE的前處理。同樣，CAE的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線(xiàn)圖，表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱(chēng)這一過(guò)程為：CAE的后處理。

 基本結(jié)構(gòu)：

 1、分析步驟

 應(yīng)用CAE軟件對(duì)工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能分析和模擬時(shí)，一般要經(jīng)歷以下三個(gè)過(guò)程： ；前處理：對(duì)工程或產(chǎn)品進(jìn)行建模，建立合理的有限元分析模型。 ；有限元分析：對(duì)有限元模型進(jìn)行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成。 ；后處理：根據(jù)工程或產(chǎn)品模型與設(shè)計(jì)要求，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行用戶(hù)所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶(hù)，輔助用戶(hù)判定計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案的合理性。

 2、結(jié)構(gòu)與功能

 CAE軟件的基本結(jié)構(gòu)其中包含以下模塊： ；前處理模塊---給實(shí)體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運(yùn)算，單元自動(dòng)剖分，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)參數(shù)自動(dòng)生成，載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導(dǎo)入，節(jié)點(diǎn)載荷自動(dòng)生成，有限元模型信息自動(dòng)生成等。 ；有限元分析模塊---有限單元庫(kù)，材料庫(kù)及相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)組裝模塊，靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線(xiàn)性與非線(xiàn)性解法庫(kù)。大型通用題的物理、力學(xué)和數(shù)學(xué)特征，分解成若干個(gè)子問(wèn)題，由不同的有限元分析子系統(tǒng)完成。一般有如下子系統(tǒng)：線(xiàn)性靜力分析子系統(tǒng)、動(dòng)力分析子系統(tǒng)、振動(dòng)模態(tài)分析子系統(tǒng)、熱分析子系統(tǒng)等。

 后處理模塊---有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑，各種物理量的加工與顯示，針對(duì)工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與工程規(guī)范校核，設(shè)計(jì)優(yōu)化與模型修改等。 ；用戶(hù)界面模塊、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)、專(zhuān)家系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)。 ；CAE軟件對(duì)工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫(kù)和材料庫(kù)的豐富和完善程度，單元庫(kù)所包含的單元類(lèi)型越多，材料庫(kù)所包括的材料特性種類(lèi)越全，其CAE軟件對(duì)工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強(qiáng)。

 一個(gè)CAE軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫(kù)。先進(jìn)高效的求解算法與常規(guī)的求解算法，在計(jì)算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異 ；前后處理是近十多年發(fā)展最快的CAE軟件成分，它們是CAE軟件滿(mǎn)足用戶(hù)需求，使通用軟件專(zhuān)業(yè)化、屬地化，并實(shí)現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無(wú)縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過(guò)增設(shè)CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT7zhuan.cn等軟件的接口數(shù)據(jù)模塊，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE的有效集成。

 CAE通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析（線(xiàn)性、非線(xiàn)性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）；場(chǎng)分析（熱場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）；頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計(jì)算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

 3、CAE的作用：

 a、增加設(shè)計(jì)功能，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少設(shè)計(jì)成本；

 b、縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；

 c、CAE分析起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過(guò)程，虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性；

 d、采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本；

 e、在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題；

 f、模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；

 g、進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。

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