科普沙龙
您当前的位置:首页 -> 科普沙龙
计算机辅助工程与应用
日期:2011-10-10
    计算机辅助工程是什么?有什么用?怎么用?用在什么地方?带着这些问题,我们来了解计算机辅助工程这一项技术。
首先,什么是计算机辅助工程技术?工程设计中的计算机辅助工程CAE (Computer Aided Engineering),指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析,动态分析;研究线性、非线性问题;分析结构(固体)、流体、电磁等。
计算机辅助工程有什么用呢?我们为什么要在工业生产制造中应用这一技术呢?这需要从计算机辅助工程身上诸多的优点说起:
1.   其可以增加设计功能,借助计算机分析计算,确保产品设计的合理性,减少设计成本;
2.   能大力缩短设计和分析的循环周期;
3.   CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程,虚拟样机作用能预测
产品在整个生命周期内的可靠性;
4.   采用优化设计,找出产品设计最佳方案,降低材料的消耗或成本;
5.   在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;
6.   模拟各种试验方案,减少试验时间和经费;
7.   进行机械事故分析,查找事故原因。
    计算机辅助工程有这么多的优点,要很好的学习及灵活的运用CAE技术却不是一件易事,CAE软件对学习者有两点必备的要求:一是需要学习有限元方法的基本理论,包括大量的微分积分方程及算法;二是必须有相关的专业基础,能很好的理解CAE系统的核心思想。
CAE系统的核心思想是结构的离散化,即将实际结构离散为有限数目的单元组合体,实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析,得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析,这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域,即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体;通过将连续体离散化,把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组,而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解,其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。
应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时,一般要经历三个阶段:前处理,有限元分析和后处理阶段。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型,完成分析数据的输入,通常称此过程为CAE的前处理。同样,CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出,如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图,表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图,以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。而对有限元模型进行单元分析,有限元系统组装,有限元系统求解以及有限元结果生成等过程,称之为有限元分析。根据经验,CAE各阶段所用的时间为:40%~45%用于模型的建立和数据输入,50%~55%用于分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右。针对这种情况,针对不同的应用,也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。
CAE有着广阔应用领域,CAE从60年代初在工程上开始应用到今天,已经历了30多年的发展历史,其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程,现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具,同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用,成为最具有生产潜力的工具,展示了光明的前景,取得了巨大的经济效益。
中科院宁波工研院先进制造所的计算机辅助制造与应用团队是一个以CAE(Computer Aided Engineering)技术为核心,集服务、开发和研究于一体的研究机构。它以满足产业升级和先进制造领域精细化、高时效、可预测的先进计算为基础的仿真技术需求为特色,拥有以仿真计算为基础的数字工程技术和工业过程控制中的模拟技术等主要研究领域,致力于开展前瞻性、共性和关键性CAE技术的研究和专业模拟软件的开发。
实验室通过向社会全面开放,促进CAE技术在现代制造业中的推广和应用。其技术服务包括:CAE技术普及与研讨、CAE工程项目咨询、CAE基础理论及人才培训、行业CAE软件开发、行业共性技术专题课等。合作方式也多种多样,共建联合中心、产品设计咨询、专用软件开发和设计人才培训等。目前,该团队在结构静、动强度分析和测试,通用流场分析,电磁场分析等领域,形成了强有力的技术团队和解决方案。在风机流场模拟、工业抛光车间粉尘射流模拟及结构静、动强度分析及测试等方面的技术尤其突出。该团队还主办各种水平质量高,涉及范围广、影响力大的学术研讨会。
进入21世纪,制造业将向网络化、虚拟化、全球化的方向发展,未来制造技术发展的总趋势则是向精密化、柔性化、智能化、集成化、网络化方向发展。所以计算机已经成为制造业中不可缺少的技术设备,而且随着高性能计算机以及网络技术的快速发展,计算机辅助工程技术应用的深度和广度都将发生革命性变化。