cae技术与复杂产品设计-丁彦闯new

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1、2007UFC中国用户论文集CAE技术与复杂产品设计丁彦闯朴明伟谢素明李晓峰王东屏兆文忠大连交通大学-1-2007UFC中国用户论文集CAE技术与复杂产品设计丁彦闯朴明伟谢素明李晓峰王东屏兆文忠大连交通大学摘要：论文讨论了CAE技术的内涵、理论背景、在复杂产品设计过程中的重要价值，以及CAE技术与复杂产品“上游污染治理”辩证关系。基于大量工程应用实践中获得的体验，论文尤其强调指出：CAE技术应用的关键在于科学建模。最后，论文列举了CAE技术在一些复杂产品中的成功应用案例，以此支持论文的主要论点。关键词：CAE技术；复杂产品；设计；建模；验证1CAE的概念与基本价值CAE是Compu

2、terAidedEngineering的缩写，即计算机辅助工程。从字面上看，CAE的定义不如CAD(ComputerAidedDesign)的定义直接，因此现在仍有人将CAE与CAD混淆，或者误认为CAD包含了CAE。其实，CAD与CAE是两个完全不同的概念，从一个产品的设计过程看，CAD与CAE服务于产品设计的不同阶段，尽管CAD与CAE一体化已成为当前的一种趋势，但这只反映了二者客观的关联性，因为功能上截然不同的差异是本质的。当前，从传统的CAD中分离出来的CAE的着力点不是产品的几何，而是产品性能的分析、评估、优化。由于产品的复杂性，这种分析、评估、优化不得不借助基于计算机技

3、术的数值方法，因此，自从美国SDRC公司1978年将CAE从传统的CAD中分离出来以后，CAE已经与CAD、CAM(ComputerAidedManufacturing)并列成为复杂产品设计、制造的三个计算机辅助手段之一。根据上述定义，不难看出CAE技术比CAD技术能获得更本质的效益，尽管一个产品的几何十分重要，但是产品的性能更重要，因为一个产品的几何造型必定要服务于产品的性能要求。例如，高速动车组的流线型设计不仅要求几何外形具有时代气质，还要求它应该有着良好的空气动力学性能。显然，在气动阻力最小化的要求下，后者比前者更重要，因为空气动力学性能是否优秀，只能借助于CAE技术进行分析

4、与评估。当然，认为CAE技术与CAD技术相比能获得更本质的效益，并不是排斥CAD技术，正是CAD几何造型技术的支持，CAE的建模才似如鱼得水。当前，CAE技术的价值越来越被人认同与重视，首先是它自身有着坚实的理论内核。以CAE中的有限元方法为例，有限元分析功能的本质，其实源自于数学上数值求解微分方程的-2-2007UFC中国用户论文集有效性。事实上，许多工程问题，不论其复杂程度如何，其物理模型的数学内涵均可用微分方程演绎，下表列出了部分物理过程对应的控制微分方程：表1物理过程的控制微分方程状态变量（或未知物理过程控制微分方程量）热传导温度傅里叶方程（Fourier）润滑应力雷诺方程

5、（Reynolds）流体流动速度斯托克斯方程（Wavier-Stocks）多孔介质压力达西方程（Darcy）声学压力分布亥姆霍兹方程（Helmholtz）静磁学磁势麦克斯韦方程（Maxwell）静电学电热库伦方程（Coulomb）温度密度菲克方程（Fick）仍以高速动车组为例，其电机驱动的传动单元中电机的漏磁漏电问题，散热冷却问题，空心轴系振动问题，润滑问题，乃至结构噪声等物理问题，均可从上面的表中找到对应的控制微分方程。针对不同类型的物理问题，或不同类型的控制微分方程，CAE中有不同的求解方法，例如最常用的有限元法（FEM），边界元法（BEM），多刚体动力学法（MBD），流体动力

6、学的有限体积法（CFD）等等。随着计算机软硬件技术的迅速发展，这些包括并行计算在内的求解方法日益成熟与稳定，使得CAE技术处理复杂工程问题的能力得到了极大的提高。在上述求解器理论内核成为CAE技术坚实后台的同时，面向用户的功能强大的前后处理器已转移为当前CAE技术开发的重心。求解对象越复杂，前后处理器越重要。回想起四十多年前“纸带穿孔”、“卡片打孔”式的有限元编程与建模的辛苦，今天CAE技术用户界面的深刻变化真令人激动不已。在可视化的图形界面支持下，CAE的前端建模几乎成了一门艺术；而后端展示的分析结果使性能仿真入木三分。在数据库技术支持下，前处理器、求解器、后处理器三位一体支承着

7、现代CAE技术的高价位。然而，CAE的价值并不为所有人接受，尤其是将前处理器、求解器、后处理器刻录到光盘介质上之后，有人怀疑CAE的价值，而这些人的怀疑似乎不无道理，以美国MSC公司的有限元软件MSC、MARC为例，当工厂付出了许多之后，拿到手里的不过是一张光盘介质。谁都知道，一张光盘的重量仅14克多一点，它本身的成本几乎等于零，可是，当它刻录上MARC软件执行代码之后，这张光盘的身份竟然成千上万倍的升值，如果以克这样的单位论价，它的价格将是黄金价格的许多倍。-3-2