CAE有限元仿真分析方法的計算結(jié)構(gòu)及應用

 CAE指工程設(shè)計中的計算機輔助工程CAE(ComputerAidedEngineering)，指用計算機輔助求解分析復雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學性能，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，動態(tài)分析；研究線性、非線性問題；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算結(jié)構(gòu)及應用。

 CAE(ComputerAidedEngineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始應用到今天，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、機械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計算工具，同時也是分析連續(xù)力學各類問題的一種重要手段。

 隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計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)應運而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機輔助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，即將實際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。

 其基本過程是將一個形狀復雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡單的子區(qū)域，即將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場變量（應力、位移、壓力和溫度等）問題簡化為求解有限的單元節(jié)點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數(shù)方程組，而不是原來描述真實連續(xù)體場變量的微分方程組。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型、數(shù)量以及對單元的插值函數(shù)。針對這種情況，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為CAE的后處理。

 CAE計算機輔助工程（ComputerAidedEngineering，CAEtyrp.net）技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個環(huán)節(jié)有機地組織起來，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）的整個生命周期。因此，CAE系統(tǒng)是一個包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營管理及信息流和物流的有機集成且優(yōu)化運行的復雜的系統(tǒng)。從廣義上說，計算機輔助工程包括很多，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主要指用計算機對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并證實未來工程、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：針對特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預測和優(yōu)化的軟件，稱之為專用CAE軟件；可以對多種類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱之為通用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，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，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)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。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，得到與真實情況無限接近的解?；谟邢拊椒ǖ腃AE系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。根據(jù)經(jīng)驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。采用CAD技術(shù)來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過程為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、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為：CAE的后處理。

 基本結(jié)構(gòu)：

 1、分析步驟

 應用CAE軟件對工程或產(chǎn)品進行性能分析和模擬時，一般要經(jīng)歷以下三個過程： ；前處理：對工程或產(chǎn)品進行建模，建立合理的有限元分析模型。 ；有限元分析：對有限元模型進行單元特性分析、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)計要求，對有限元分析結(jié)果進行用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結(jié)果與設(shè)計方案的合理性。

 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---給實體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運算，單元自動剖分，節(jié)點自動編號與節(jié)點參數(shù)自動生成，載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導入，節(jié)點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。 ；有限元分析模塊---有限單元庫，材料庫及相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數(shù)學特征，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統(tǒng)完成。一般有如下子系統(tǒng)：線性靜力分析子系統(tǒng)、動力分析子系統(tǒng)、振動模態(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，針對工程或產(chǎn)品設(shè)計要求的數(shù)據(jù)檢驗與工程規(guī)范校核，設(shè)計優(yōu)化與模型修改等。 ；用戶界面模塊、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、知識庫。 ；CAE軟件對工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其CAE軟件對工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強。

 一個CAE軟件的計算效率和計算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規(guī)的求解算法，在計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軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過增設(shè)CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDTtyrp.net等軟件的接口數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)了CAD/CAE的有效集成。

 CAE通常指有限元分析和機構(gòu)的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析（線性、非線性、靜態(tài)、動態(tài)）；場分析（熱場、電場、磁場等）；頻率響應和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機構(gòu)分析能完成機構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構(gòu)的運動模擬及機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

 3、CAE的作用：

 a、增加設(shè)計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本；

 b、縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期；

 c、CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設(shè)計”過程，虛擬樣機作用能預測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性；

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

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

 f、模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；

 g、進行機械事故分析，查找事故原因。

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