一、cae技术简介

1.cae技术

随着科技的发展进步，产品在趋于多样化、智能化的同时，会不可避免地趋于复杂化。对于复杂的工程，人们都希望能在产品生产以前对设计方案进行精确的试验、分析和论证，这些工作需要借助计算机实现，就是计算机辅助工程，即cae（computer aided engineering）。cae是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。

目前，为了更好地进行各工程阶段的工作，设计人员已越来越多地运用计算机辅助手段，于是产生了一系列的技术分支，如计算机辅助设计cad（computer aided design）、计算机辅助试验cat（computer aided test）、计算机辅助工艺过程设计capp（computer aided process planning）以及计算机辅助制造cam（computer aided manufacturing）等，有时将它们统称为cax技术。

2.cae软件

在工程中应用cae技术，需要一个载体，而cae技术的载体就是cae软件。cae软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术，而形成的综合性、知识密集型信息产品。

cae软件大体可以分为专用和通用两类。

专用软件，即针对特定类型的对象所开发的用于性能分析、预测和优化的软件。从广义上说，设计人员手头的一些小计算程序都可以认为是专用cae软件。

通用软件，即可以对多种类型对象的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件。通用cae软件主要指大型通用商业化软件，如nastran、adams、ansys、marc、adina以及abaqus等。

3.cae内涵

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。

从运用有限元法对已设计产品的性能进行简单校核，逐步发展到对产品性能的准确预测，再到对产品工作过程的精确模拟仿真，有限元法和仿真技术发挥了重要作用，赢得了人们的普遍信赖。然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能、质量，也要降低产品的成本，缩短开发周期。最优化技术引入cae方法，使人们从繁重的试凑工作中解脱出来，cae技术也达到了一个新高度。

在用cae技术解决工程实际问题时，需要注意以下两点。

(1)cae工作是一项难度较大的工作。一项工作，不会因为有了三维实体模型和载荷就可以马上得出结果。实际上，有了三维实体模型以后，需要做大量的模型转换和修改工作才可能得到正确的分析模型，这项工作通常占到工作量的70％以上，情况复杂时可能需要更长的时间。

(2)一般的cae分析都基于结构材料无缺陷、不存在工艺问题这样一种假设。一个结构如果在使用中偶然出现问题，那可能是结构本身的原因，也可能是材料或工艺方面的原因，但如果问题重复出现，则一定是结构原因，必须进行cae分析。如果材料和工艺方面存在问题，一般的cae分析结论是不适用的，除非进行有关材料和工艺的专项cae分析。

三、cae技术发展趋势

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。

四、cae技术应用实例

近几年，cae技术在作者所在单位发挥了重要作用，解决或辅助解决了许多工程难题，并取得了令人瞩目的成绩。

下面分别介绍一下去年以来的几个实际事例。

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，至今未出现过同类问题。

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。

五、几点建议

最后，笔者提出以下几点建议。

(1)要给予cae足够的重视。一项新的技术从提出到应用再到产生效益总有一个成长的过程，尤其是在起步阶段，还特别需要各个方面的重视和支持，只有这样，才能共同把这项工作做好。

(2)cae的价值有很大一部分隐含或体现在设计工作中，因此，单从cae部门自身的效益很难看出工作的价值。另外，还要理顺关系，责权明确，避免出现“做好了是设计人员的功劳，做不好是分析人员的责任”的现象。

(3)cae行业正处于一个快速发展、成长时期，从业人员流动性较大，因此有必要从政策上对此予以引导和扶持，采取有效措施吸引、留住人才，保证工作的持续性。

(4)现在的cae技术已经基本成熟，cae软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决，cae软件应该成为设计工程师实现工程创新、产品创新的得力助手和有效工具，一些比较简单的分析计算可以在cad软件上直接完成。

(5)及时发现问题、解决问题。能在设计早期进行cae分析，及时发现可能存在的问题，是对设计工作的一个重要补充。