CAE技术

计算机术语

CAE技术是一个计算机术语。

发展史

计算机辅助工程（cae）作为一门新兴的学科已经逐渐的走下神坛，成为了各大企业中设计新产品过程中不可缺少的一环。传统的cae技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真，验证未来工程/产品的可用性与可靠性。　如今，随着企业信息化技术的不断发展，cae软件与cad/cam/capp/pdm/erp一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，在提高工程/产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面都发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。　虽然cae技术经过近50年的洗礼已经逐渐成熟，但对于一门新技术发展成熟则需要面对无数的挑战，而对于cae技术的用户企业与cae软件提供商发展至今而言，仍然面临着如软件使用复杂、工程师理论知识欠缺、缺少实践经验、cad与cae的集成、仿真数据管理分散、计算机硬件与软件结合以及计算速度等诸多实际问题和挑战。

内容

cae技术主要包括以下三个方面的内容：　（1）有限元法的主要对象是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容；　（2）仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容；　（3）优化设计的主要对象是结构设计参数。

面临问题

（1） cae软件的易用性。虚拟仿真涉及到大量的数学和力学问题。因此，传统的cae软件被称为“只有博士才能用好的软件”，作为“阳春白雪”的技术，长期得不到普及应用。如何能够让拥有丰富设计经验和制造业专业背景的工程师能够将cae软件应用到产品研发设计过程当中，实现普及应用，是一个十分重要的问题。　（2） cae知识的积累与传承。同样的产品模型，应用同样的cae软件，但不同的分析工程师，由于知识和经验的差异，分析出来的结果差异会很大。因此，企业如何建立自己的虚拟仿真规范和知识库，实现对虚拟仿真知识的捕捉和重用，如何将经验丰富的分析专家的仿真知识和仿真流程传承给新入门的分析工程师，是企业真正应用好cae技术的关键。　（3）仿真流程的规范化与自动化。对产品进行虚拟仿真涉及到十分复杂的流程，而应用单元的cae产品，需要手工管理仿真流程，导致虚拟仿真的效率不高。如何实现虚拟仿真流程的自动化，创建完整的仿真流程模板，并且能够根据各个学科仿真的需求动态调整网格模型，对于提升虚拟仿真的效率和质量非常关键。　（4）对虚拟仿真的结果的评价。如何将虚拟仿真与实际的物理试验结合起来，提高虚拟仿真结果的置信度，从而真正减少物理样机和物理试验的数量，在提高产品性能的同时，降低产品研发成本，提高产品研发的成功率和研发效率。　（5）多学科仿真与优化。各个领域的虚拟仿真结果得出了局部的性能仿真和改进建议，但是，单元的cae产品无法实现产品整体性能提升，只能解决局部优化问题，无法解决全局优化问题。　（6）仿真数据的管理。在虚拟仿真的过程中，生成了不同类型的仿真文档和数据，对应不同的分析结果。如何有效管理仿真文档，如何建立分析文档与产品模型的对应关系，是cae技术深化应用必须解决的问题。　（7）多场耦合分析。在解决一些复杂的仿真问题过程中，设计到多物理场耦合分析的问题，如流固耦合问题，这对于单纯提供某个领域仿真技术的cae厂商而言，是一个巨大挑战。　（8）研发组织架构如何支持仿真驱动设计。在制造企业传统的产品研发流程当中，虚拟仿真技术还不在主流程之中，虚拟仿真技术人员往往属于一个专门的部门。如何在企业中将虚拟仿真技术真正融入产品研发流程当中，调整企业研发部门的组织架构和研发组织体系，使仿真分析工程师与设计、工艺和制造工程师协同工作，实现从事多个学科虚拟仿真的工程师之间的协作，真正实现仿真驱动设计，是一个巨大的挑战。另外，如何在上下游企业之间进行虚拟仿真的协同，则更是一个难题。　（9）虚拟仿真软件与优化软件的结合。虚拟仿真软件只能完成仿真计算，却不能解决优化问题，应用虚拟仿真软件是一个试错过程。因此，虚拟仿真技术如何与优化技术有效结合，是一个重要挑战。　（10）仿真技术如何跟上计算机硬件技术的发展。多核cpu、gpu、刀片工作站、串口服务器等硬件技术发展迅速，充分利用多核cpu、hpc、并行计算等新兴技术，来提高虚拟仿真的效率，是一个重要的问题。

应用实例

设计发动机机油箱时，对原设计的结构进行分析，结果表明如果各安装位置间没有相对位移，那么结构应力远小于许用值，结构不会发生损坏。进一步分析表明，即使安装位置间有一毫米的相对位移，危险部位也将产生很大的应力而引起破坏，这就需要选择适当的安装固定方式，为改进设计提供了理论依据。　为解决型号车多次出现的扭转共振问题，对传动系统作了多次扭振性能计算，最终找到了合适的联轴器参数，这些参数在新的设计方案中得到了应用，并通过了实车考核，未出现过同类问题。　对两栖车等水上推进器进行了数十个方案比较，选出了最佳方案，省去了多次性能试验，仅以每次直接试验费用15万元计算，效益也是很可观的，这还不包括缩短生产时间所带来的好处。部分分析结果已经得到了相关实验的验证，两者误差不超过5%，充分说明了分析的有效性。　对某型车总体动力学性能进行仿真计算，得到了底盘在通过垂直墙、跨壕沟、爬坡等过程中车辆的一些重要参数及重要零部件所承受的载荷，为深入了解整车性能和确定零部件载荷打下了基础，其中大部分参数是以往很难得到的，甚至在设计阶段是不可能得到的，这对指导设计有着重要意义。

发展趋势

cae技术的发展趋势可以概括为，采用最先进的信息技术，吸纳最新的科学知识和方法，扩充cae软件的功能以提高其性能。　这主要包括以下三方面的内容。　（1）功能、性能和软件技术方面：包括三维图形处理与虚拟现实、面向对象的工程数据库及其管理系统、多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析以及适应于超级并行计算机和机群的高性能cae求解技术。　（2）多媒体用户界面与智能化：包括多媒体的用户界面、增强的建模和数据处理功能以及智能化用户界面。　（3）cax软件的无缝集成：多种专业领域的cae 计算分析软件的集成化，实现对大型工程和复杂产品的全面计算分析和运行仿真，将成为cae 软件集成化的另一个重要方向。

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