CAE软件及其运用现状分析

计算机仿真技术的应用计算机仿真的用途非常广泛已经渗透到社会的各个领域，不断促进了各行各业的发展，为各行各业注入了一股新的活力。1.交通领域：交通是由人、车、路和环境构成的一个复杂人机系统，事故的诱发因素是多方面因素的综合。交通安全的评价，应该充分考虑人、车、路和环境诸方面因素的作用和影响。本交通安全仿真是基于虚拟现实技术的方法。该评价体系是通过建立虚拟环境，并在这个虚拟环境中设计各种事故诱发因素，并对某区域和某路段的交通安全水平进行全过程(设计后，施工中，运营后)的跟踪和评价。交通安全仿真及评价系统的核心部分就是计算机的仿真。该仿真过程不同与传统的数值仿真，它是一种可视化的仿真。例如，对某路段的交通安全评价，除了使用传统的绝对数法和事故率法来评价外，再将交通参与者的感知和行为也考虑进去。在该虚拟环境中，可以选择不同的运载工具，设置不同的交通环境，以交通参与者或第三者的角度来进行事故的可能性试验与分析，从而实现了对路段的安全性的评价。同时为交通没施的建设和改进提供了依据，为交通事故分析提供了一种新的方法。2.制造领域：汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。它有很多实验课题，难度大、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡现象，建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等3.教育领域：计算机模拟实验又称计算机仿真实验或计算机虚拟实验，是近几年在计算机多媒体教学中开辟的新领域。它通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书和根据需要在瞬间建立的模拟实验室。计算机模拟物理实验的出现打破了教与学、理论与实验、课内与课外的界限，它更加强调实验的设计思想和实验方法，更强调实验者的主动学习；通过计算机模拟实验，学生对物理思想、方法、仪器的结构和设计原理的理解，都可以达到训练实验技能、学习物理知识的目的，增强了学生对物理实验的兴趣，提高了物理实验的水平。目前，模拟实验已成为现代化物理实验的重要手段。计算机模拟实验系统运用了人工智能、控制理论和教师专家系统对物理实验和物理仪器建立其内在模型，用计算机可操作的仿真方式，实现了物理实验教学的各个环节。CAE软件的运用分析目前，CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业，在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。目前，国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛的应用。由于有限元技术的特点，使得前处理成为了一个相对独立，而又十分重要的部分。一些大型企业都采用了适应自己需求的前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好的接口，可与众多的有限元求解软件相结合，以便用户更快、更方便地解算问题。求解软件可以说是琳琅满目，通常的求解软件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。这些软件都有着各自的特点，在行业内，一般将其分为线性分析软件和非线性软件，例如ANSYS、ALGOR都在线性分析方面具有自己的优势，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则在非线性分析方面各具特点，其中ABAQUS被认为是最优秀的非线性求解软件。近年来，分析软件正朝着多物理场的方向发展。大家可以通过业内一些公司的举动感受到这一点，例如，ANSYS公司收购CFX流体软件，并加强与EMSS公司的合作，不断加强其多物理场耦合的功能。在这里需要提到的是，由于历史原因，ALGOR继承了SAP的模块化思想，在多物理场分析方面也有很好的应用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发，因此另外还有一些软件在这方面有着良好的应用，比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB，又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。此外，专用有限元软件受其应用领域的限制，只能在各自的行业领域得到应用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件，可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，进而提高铸造质量。又如，法国ESI公司的ProCAST，其与MAGMA是竞争关系，软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统，也得到了国内很多企业的认可。在板材成型行业里，有AUTOFORM系列软件，该软件单元架构基于膜单元形式，因此其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外，来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联，因此以上这些软件都注重与CAD软件的接口，基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口，软件的使用操作也都比较方便。另外，在汽车行业应用中，经常要对整车进行机械动力学仿真，在这一领域中，国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块专为汽车动力学仿真而设计，使用十分方便。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG，VPG（VirtualProvingGround）虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验，在LD-DANA平台上开发的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的专门应用于汽车工程的软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中的重点——整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题。另外市场上还有一些专业软件，例如，LMS公司的噪音分析软件SYSNOISE，MSC公司的疲劳分析软件MSC/Fatigue，nCode公司的Fatigue，奥地利MAGMA公司的热疲劳分析软件FEMFT等。ABAQUS介绍一、Abaqus简介ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。ABAQUS有两个主求解器模块—ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块—ABAQUS/CAE。ABAQUS对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。二、Abaqus/CAE模块快速地创建高质量的模型熟悉现代CAD系统的用户欣赏基于特征的、参数化建模方法所带来的高效率和机动性。ABAQUS/CAE是唯一提供这种几何建模方法的有限元前处理程序。用户能够创建参数化几何体如：拉伸、旋转、扫略、倒角和放样。同时也能够由各种流行的CAD系统导入几何体，并运用上述建模方法进行进一步编辑。全面支持ABAQUS的分析功能ABAQUS/CAE支持广泛的ABAQUS分析功能并且为初学者和经验丰富的用户提供人机交互的使用环境。熟悉的ABAQUS分析概念，如分析步、接触、约束和预设条件等，能够通过操作简便的界面得以实现。ABAQUS/CAE还提供了完全的后处理和可视化功能，即使最大规模的ABAQUS分析结果也可以高速、高质量地进行绘图。混合建模方法的使用在实际的分析过程中，几何体和网格体往往共同存在于模型中，ABAQUS/CAE通过混合建模方法能够非常容易的处理这种情况。用户可以处理基于几何体的数据，同时也可以处理导入的纯的节点和单元数据，这些数据没有任何几何拓扑关系。接触、载荷以及边界条件能够施加在几何体上或者直接施加在单元的节点、边或面上。这种允许几何体与网格体混合使用的建模环境，为用户分析特定问题提供了最佳的灵活性。流程化和自动化处理ABAQUS/CAE建立在一个开放的可拓展的平台之上，这使得用户可以对成熟的工作流程进行二次开发。从基本的宏功能和重放文件到完全集成的企业级应用，ABAQUS/CAE提供了一个丰富的工具包来自动化处理各种任务和流程，并容易将ABAQUS的有限元分析功能向更广阔的用户群推广。三、Standard模块解决各种实际问题ABAQUS/Standard为工程师和分析专家提供强有力的工具来解决许多工程问题：从线性静态、动态分析到复杂的非线性耦合物理场分析。结合使用ABAQUS/Standard与ABAQUS/Explicit，利用两者的隐式和显式求解技术，可以让更多实际问题获得求解。精确、可靠的分析分析一项工程问题所使用工具的质量，极大地影响该问题求解的可靠性和质量。我们对ABAQUS/Standard的每一个版本，在所有支持的计算机平台上，都进行一整套完整的测试；包括13,000次的回归测试以及对许多客户模型的测试。此外，ABAQUS/Standard有最好的行业技术支持和完备的手册做后盾，用户完全可以放心的使用该产品。开发高效求解技术对于绝大多数复杂问题的求解来说，高效可靠的求解过程是非常重要的。