[行业]CAE软件在制造业的应用分析

2016-11-14  by:CAE仿真在线  来源:互联网

(计算机辅助工程分析)主要是以有限元法、有限差分;作为20世纪中期兴起的技术手段,有限元技术随着计;随着有限元技术的发展,国内原有的有限元应用体系正;近几年来,数字化产品设计的概念逐渐深入人心
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引言
(计算机辅助工程分析)主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。由于目前在国内有限元法应用最为广泛,故此在这里主要介绍有限元类软件在国内的应用,其他一些软件不做过多的阐述。

作为20世纪中期兴起的技术手段,有限元技术随着计算机技术的迅猛发展,得到了飞速的发展和广泛的应用。基于有限元技术,已经在国际上形成了数百亿规模的市场,而主要的有限元厂商则包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等,其他一些基于有限元算法的专业分析软件则不胜枚举。

随着有限元技术的发展,国内原有的有限元应用体系正在发生着深刻的变化。早在80年代初期,国内就已经形成了一批以高校和研究院所为重点的有限元技术研究、开发、应用体系。早期北大袁明武老师应用的SAP,在当时国内引起了广泛的影响。在此背景下,国内的学者相继开发了多套有限元程序,例如大连理工的JIFEX、郑州机械研究所的紫瑞、北京农机学院的有限元分析系统,以及计算所梁国平老师的FEPG。而这些软件由于各自的一些原因,虽然在国内产生了一定的影响,但都没能在企业界得到广泛的应用。随着90年代国外大型商业软件进入国门,掀起了第二次有限元应用的浪潮。由于国内高校在有限元技术方面具备一定的研发和应用基础,因而成为了应用初期阶段的主力军。

近几年来,数字化产品设计的概念逐渐深入人心,国内高校技术研究和应用水平不断提高,有限元技术已经为广大企业所认可,第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。值得注意的是,有限元技术不再仅仅停留在高校中,而是更多的走向了企业。同时,更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。
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应用状况

目前,CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业,在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业,其所涉及的专业领域相当广泛,并且应用历史长、应用成熟度高。


目前,国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran,这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛的应用。由于有限元技术的特点,使得前处理成为了一个相对独立,而又十分重要的部分。一些大型企业都采用了适应自己需求的前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好的接口,可与众多的有限元求解软件相结合,以便用户更快、更方便地解算问题。


求解软件可以说是琳琅满目,通常的求解软件包括:ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。这些软件都有着各自的特点,在行业内,一般将其分为线性分析软件和非线性软件,例如ANSYS、ALGOR都在线性分析方面具有自己的优势,而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则在非线性分析方面各具特点,其中ABAQUS被认为是最优秀的非线性求解软件。


近年来,分析软件正朝着多物理场的方向发展。大家可以通过业内一些公司的举动感受到这一点,例如,ANSYS公司收购CFX流体软件,并加强与EMSS公司的合作,不断加强其多物理场耦合的功能。在这里需要提到的是,由于历史原因,ALGOR继承了SAP的模块化思想,在多物理场分析方面也有很好的应用;同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发,因此另外还有一些软件在这方面有着良好的应用,比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB,又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。


此外,专用有限元软件受其应用领域的限制,只能在各自的行业领域得到应用。例如,MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件,可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计,调整帽口的位置和数量,进而提高铸造质量。又如,法国ESI公司的ProCAST,其与MAGMA是竞争关系,软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统,也得到了国内很多企业的认可。


在板材成型行业里,有AUTOFORM系列软件,该软件单元架构基于膜单元形式,因此其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN,其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外,来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹,评估板料的成形性能,从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联,因此以上这些软件都注重与CAD软件的接口,基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口,软件的使用操作也都比较方便。


另外,在汽车行业应用中,经常要对整车进行机械动力学仿真,在这一领域中,国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用,以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块专为汽车动力学仿真而设计,使用十分方便。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG,VPG(Virtual Proving Ground)虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验,在LD-DANA平台上开发的,是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的专门应用于汽车工程的软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中的重点——整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题。 另外市场上还有一些专业软件,例如,LMS公司的噪音分析软件SYSNOISE,MSC公司的疲劳分析软件MSC/Fatigue,nCode公司的Fatigue,奥地利MAGMA公司的热疲劳分析软件FEMFT等。
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应用展望
下面笔者将按照一般的产品设计流程,在不同的设计阶段,将上文提到的软件对号入座,帮助读者取得比较感性的认识。
1.概念设计阶段
这一阶段主要有三个方面的内容。

1)市场调研;


2)技术设计,包括各种方案的计算机效果模拟和分析仿真论证;


3)评估、准备相关生产设施。


这一阶段主要进行较为详细的、带有一定目标性的预演,大企业可以利用一些大型通用非线性CAE软件来帮助制定方案,比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企业可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等软件完成这部分工作。
2.详细设计阶段

在概念设计完成以后,紧接着就是详细设计。这一阶段要绘制各种零部件图样,确定彼此间的装配关系,评估产品的性能(结构强度、刚度、动力特性和生产性等)。


该阶段需要操作简单、使用方便的CAE软件,以便用最少的时间完成评估工作。这类软件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等,这些软件有着良好的数据接口和网格自动生成功能,使用方便、快捷,对使用者的要求较低。在该阶段的尾期,也可以用一些非线性求解器做进一步的验证。
3.样机制造阶段
根据详细设计提供的模型或数据完成试验样机的加工制造。该阶段是生产阶段,所以较少使用CAE软件,但可以用一些专业软件,如铸造分析软件、板料成形软件来指导生产。
4.产品测试评估阶段
这一阶段主要是利用各种测试和评估手段对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性做出全面真实的评价,从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。在该阶段,主要使用一些非线性分析功能强的软件,以及一些多场耦合软件,如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此阶段还可以使用一些机械动力学仿真软件、疲劳分析软件,来最终评估整装后的产品性能。
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应用建议

综上所述,国内市场上的CAE软件非常丰富,企业采购软件需要根据自己的实际情况。在发展的初期阶段,由于各方面条件还不太完善,资金经费相对较为紧张,因此不可能面面俱到,一次引进所有的应用系统,应有计划、有目标、分阶段地引进。


软件引进一定要根据具体情况量力而行,减少盲目性。在产品开发初期阶段,采购软件实际上是为了解决生产问题,并为紧接着的设计改型作前期准备,该阶段可以找一些项目咨询公司合作开发,以减少前期投入。


先进的分析设计软件只是开发设计的一个必要手段,最为关键的因素还是人。凡是一流的企业无不拥有一只具有丰富实践经验、学科齐全、富有挑战和创造意识的人才队伍。软件好买,人才难寻。因此在引进技术的同时,就要注重人才的培养,一方面可通过消化吸收,在实际设计生产中锻炼队伍,另一方面在国内外广招人才,既可将有经验的人才引进来,也可将企业的人才送出去,学习经验技术,在用人政策上加大倾斜力度。


总之,引进现成的技术也好,合资合作也好,归根结底是要借鉴别人先进的技术成果,尽早转变为自己的东西。否则只能跟在别人后面跑,永远成不了大器,更谈不上发展自己的民族产业。

作者:ICAD

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