CAE有限元軟件在制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望分析

 一、引言

 CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程分析）主要是以有限元法、有限差分法、有限體積以及無(wú)網(wǎng)格法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)軟件行業(yè)。由于目前在國(guó)內(nèi)有限元法應(yīng)用最為廣泛，故此在這里主要介紹有限元類軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，其他一些軟件不做過(guò)多的闡述。

 作為20世紀(jì)中期興起的技術(shù)手段，有限元技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?；谟邢拊夹g(shù)，已經(jīng)在國(guó)際上形成了數(shù)百億規(guī)模的市場(chǎng)，而主要的有限元廠商則包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的專業(yè)分析軟件則不勝枚舉。

 隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)原有的有限元應(yīng)用體系正在發(fā)生著深刻的變化。早在80年代初期，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)形成了一批以高校和研究院所為重點(diǎn)的有限元技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用體系。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年cae項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的高科技企業(yè)，公司代理國(guó)外多款著名cae軟件，并提供軟件的銷售與培訓(xùn)業(yè)務(wù)，另研發(fā)出多款行業(yè)cae通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國(guó)超過(guò)500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購(gòu)買cae軟件或咨詢服務(wù)請(qǐng)咨詢?cè)诰€客服QQ：2039363860/4006046636。

 近幾年來(lái)，數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念逐漸深入人心，國(guó)內(nèi)高校技術(shù)研究和應(yīng)用水平不斷提高，有限元技術(shù)已經(jīng)為廣大企業(yè)所認(rèn)可，第三次有限元技術(shù)的應(yīng)用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技術(shù)不再僅僅停留在高校中，而是更多的走向了企業(yè)。同時(shí)，更多使用方便、操作簡(jiǎn)單的專用分析軟件也得到了廣泛應(yīng)用。

 二、應(yīng)用狀況

 目前，CAE軟件在國(guó)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(guó)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(zhǎng)、應(yīng)用成熟度高。

 目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)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，這些軟件在美國(guó)的汽車tyrp.net廠商中都有著廣泛的應(yīng)用。由于有限元技術(shù)的特點(diǎn)，使得前處理成為了一個(gè)相對(duì)獨(dú)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(wèn)題。

 求解軟件可以說(shuō)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(diǎn)，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(shì)，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點(diǎn)，其中ABAQUS被認(rèn)為是最優(yōu)秀的非線性求解軟件。

 近年來(lái)，分析軟件正朝著多物理場(chǎng)的方向發(fā)展。大家可以通過(guò)業(yè)內(nèi)一些公司的舉動(dòng)感受到這一點(diǎn)，例如，ANSYS公司收購(gòu)CFX流體軟件，并加強(qiáng)與EMSS公司的合作，不斷加強(qiáng)其多物理場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)問(wèn)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(jì)算軟件MATLAB基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的FEMLAB，又如國(guó)內(nèi)飛箭公司針對(duì)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(dòng)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(jì)算結(jié)果更改設(shè)計(jì)，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(guó)ESI公司的ProCAST，其與MAGMA是競(jìng)爭(zhēng)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)，tyrp.net也得到了國(guó)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(yùn)算速度在同行業(yè)內(nèi)相對(duì)較快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流動(dòng)性分析可直觀地預(yù)測(cè)出沖壓件厚度及應(yīng)力分布、開(kāi)裂和皺褶的形成等。另外，來(lái)自ETA公司的DYNAFORM可以預(yù)測(cè)成形過(guò)程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈，評(píng)估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。由于這一類分析工作與模具設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)整車進(jìn)行機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真，在這一領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來(lái)進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時(shí)選用，以準(zhǔn)確地建立輪胎的動(dòng)力學(xué)模型。ADAMS中的CAR模塊專為汽車動(dòng)力學(xué)仿真而設(shè)計(jì)，使用十分方便。另外在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的還有美國(guó)ETA公司的VPG，VPG（VirtualProvingGround）虛擬試驗(yàn)場(chǎng)是ETA公司長(zhǎng)期總結(jié)汽車分析工程經(jīng)驗(yàn)，在LD-DANA平臺(tái)上開(kāi)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。VPG主要被應(yīng)用于當(dāng)前汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)——整車系統(tǒng)疲勞、整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、NVH和整車碰撞安全及乘員保護(hù)等熱門問(wèn)題。

 另外市場(chǎng)上還有一些專業(yè)軟件，例如，LMS公司的噪音分析軟件SYSNOISE，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。

 三、應(yīng)用展望

 下面有限元科技小編將按照一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，在不同的設(shè)計(jì)階段，將上文提到的軟件對(duì)號(hào)入座，幫助讀者取得比較感性的認(rèn)識(shí)。

 1、概念設(shè)計(jì)階段

 這一階段主要有三個(gè)方面的內(nèi)容。

 （1）市場(chǎng)調(diào)研；

 （2）技術(shù)設(shè)計(jì)，包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證；

 （3）評(píng)估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施。

 這一階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演，大企業(yè)可以利用一些大型通用非線性CAE軟件來(lái)幫助制定方案，比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企業(yè)可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等軟件完成這部分工作。

 2、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

 在概念設(shè)計(jì)完成以后，緊接著就是詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評(píng)估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力特性和生產(chǎn)性等)。

 該階段需要操作簡(jiǎn)單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時(shí)間完成評(píng)估工作。這類軟件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等，這些軟件有著良好的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)格自動(dòng)生成功能，使用方便、快捷，對(duì)使用者的要求較低。在該階段的尾期，也可以用一些非線性求解器做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

 3、樣機(jī)制造階段

 根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)樣機(jī)的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用CAE軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。

 4、產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估階段

 這一階段主要是利用各種測(cè)試和評(píng)估手段對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評(píng)價(jià)，從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。在該階段，主要使用一些非線性分析功能強(qiáng)的軟件，以及一些多場(chǎng)耦合軟件，如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此階段還可以使用一些機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件、疲勞分析軟件，來(lái)最終評(píng)估整裝后的產(chǎn)品性能。

 四、應(yīng)用建議

 綜上所述，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的CAE軟件非常豐富，企業(yè)采購(gòu)軟件需要根據(jù)自己的實(shí)際情況。在發(fā)展的初期階段，由于各方面條件還不太完善，資金經(jīng)費(fèi)相對(duì)較為緊張，因此不可能面面俱到，一次引進(jìn)所有的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)有計(jì)劃、有目標(biāo)、分階段地引進(jìn)。

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