CAE领域八大热点

2007CAE领域八大热点7月28~29日，第三届CAE工程分析年会在大连举行，参会人数大大超过往届年会，这从一个侧面反映出CAE正受到业界越来越多的关注，预计CAE应用的广度和深度也都将扩大。通过此次年会以及后续的采访和沟通我们发现，当前CAE在产品、技术、应用等方面表现出一些值得关注的热点。●CAE与CAD的集成●多物理场耦合●仿真数据的管理●专业化软件的发展●CAE知识积累●有限元模型越来越大●中低端市场升温●自主开发之痛汽车行业是当前国内参与国际化市场竞争最充分的行业之一，奇瑞公司则成为该行业自主创新的排头兵。在国内同行中，奇瑞率先成立了CAE部门。得益于此，奇瑞大大缩短了产品开发周期，提高了产品开发质量，这使得奇瑞每年能够推出数款全新的产品。展望未来，奇瑞每年推出数十款新的汽车产品也并不是没有可能。奇瑞汽车有限公司总经理助理、汽车工程研究院院长顾镭说：“由于引入CAE技术，我们能够避免在设计中走弯路，在开发初期就预测未来的产品性能，这是做好正向开发的前提。通过计算机仿真替代样车试验，节省了大量样车和试验费用。模拟过程具备再现性，可帮助工程师发现实车试验无法观察的细节问题。而对于设计方案选择和多目标优化，CAE技术更是效果显著。”应用永远是产品技术发展方向的风向标。在CAE深化和普及的状态下，CAE软件在市场、技术等方面的一些特点值得用户共同关注，比如，第一飞机设计研究院研究员宁振波在分析CAE领域的一系列收购事件后认为，CAE产业将迎来一次整合的浪潮，他说：“三维普及以后解决了几何模型的问题，那么解决性能和功能的CAE软件将会得到大范围应用，我认为今后10到15年是将CAE软件整合的过程。”本次综合报道，我们采访了7位专家，并以问答的形式，向读者展示了CAE八个方面的热点。这7位专家分别是：第一飞机设计研究院研究员宁振波、中国铁道科学研究院研发中心机车车辆部常务副主任王成国、奇瑞汽车有限公司总经理助理/汽车工程研究院院长顾镭、中科院数学与系统科学研究院研究员/飞箭软件总工程师梁国平、ANSYS-FluentChina总经理蒋辉国、UGSPLMSoftware亚太区市场副总裁RonClose和澳汰尔总经理戚国焕。CAE与CAD的集成《e制造》：CAE与CAD的集成是当前CAE应用中亟需解决的问题，那么目前集成的现状如何？是否存在一些挑战？宁振波：CAD与CAE的集成是一个必然的发展趋势。以前的CAE分析仅限于非常简单的计算，如果要知道产品的功能和性能的话，必须要造出样品，然后才能进行试验，从而进一步把产品的功能和性能确定下来。而现在三维设计已经比较普遍了。通过三维设计生成数字化模型之后，就比较接近于真实的物理模型，模型中可以加入材料数据，外形也比较精准。以飞机为例，就可以利用数字化模型在计算机上进行数字风洞试验，代替了以前的物理样车。这些的基础是三维设计。从软件角度，分析软件主要集中在三大类，首先是流体，包括大气、气流、水流等，然后是结构，包括可靠性和安全性等，第三块是电磁场，光场是很小的一块。CAD与CAE的集成中，流场已经集成得非常好了，比如Fluent专门开发了一款产品FluentforCATIA，我们用CATIA设计飞机外形之后，可以直接用Fluent进行流体计算。结构方面，CATIA中有几款网格画分的模块，包括面单元，体单元，装配体单元，设计的CAD模型可以直接画分网格，这之后，可以用其他软件直接分析，进行后台计算。王成国：高速列车是现代工业的标致性产品。我曾经参观过国外高速列车制造企业，其车厢制造加工已经实现CAE与CAD的集成技术，对其保证产品质量发挥重要作用。但是我认为，CAE与CAD的集成是当前CAE应用中亟需解决的问题之一，原因有三：第一，CAE与CAD的集成有利于推动我国机械行业CAE应用技术的整体发展。CAD不仅是CAE的重要组成部分，而且是CAE发展的基石。CAD与有限元的集成可以提高计算精度，CAD与自动加工设备的集成可以提高制造精度，CAD与生产过程控制的集成可以提高产品质量。CAE与CAD的集成可以借助CAD已有的技术平台，整合技术队伍，提高技术水平，推动我国机械行业CAE的迅速发展。其次，有利于降低我国机械行业实施CAE技术的成本。目前，机械工程领域的企业，已经普遍认识到CAE技术是现代企业核心竞争力的重要组成部分。然而，企业领导层必须考虑实施CAE的经济成本和实际生产效益。CAE与CAD的集成有利于降低企业采购、应用、维护和升级费用，这对于发展中的我国机械行业尤其具有现实意义。第三，有利于CAE技术的理论方法进一步发展和提高。在CAE与CAD的集成过程中，会碰到许多新问题。企业根据自己具体的产品特点和生产情况，要求CAE的使用更方便、运行更快捷、理论更完备、模型更可靠、结果更实用。大量实际工程要求是CAE技术进一步发展的强大推动力。国际一流机械制造企业与CAE商业软件公司紧密合作，在CAE与CAD的集成应用方面已经取得实效并不断深入。福特汽车公司与MDI关于ADAMS软件开发和应用的成功合作是一个非常典型的事例。国内机械行业面临机构设置、技术队伍、实际应用等诸多问题急需解决。我认为，CAE与CAD的集成在最近十年内将有显著的进展。相信我国机械制造行业会抓住目前的有利发展时机。顾镭：CAE与CAD的集成是当前CAE应用中亟需解决的问题，因为CAD数据更新必须在CAE模型中及时体现出来，这样才能够给设计人员有效地提供支持。传统的、相互割裂的方法往往会导致CAE工作一定的滞后，即便做一个很小的设计更改也必须去做一个新的计算模型，人工设定一次新的运算，不仅有时效性问题，而且还会带来数据存储方面的问题。二者的集成，可以实现CAD与CAE之间工程数据的共享，使耗时较大的CAE建模工作量大大减少，提高分析效率，而且让设计师也能够做简单的分析工作，从而更好地发挥设计创意。目前，应该说一部分工作已经实现集成了。有的是通过客户化方法来定义批处理流程手段，有的是基于参数化方法，有的是面向单个零件的分析与优化，但从严格意义上来说，两者之间完整的（能够面向整车的）集成还是没有能够达到。由于CAE和CAD两者的侧重点是不同的——CAD主要侧重于几何信息表达，CAE是运用力学与数学方法描述事物性能，CAE分析必须有一个提炼和生成模型的过程，需要综合CAD数据与应用工况以及边界状态等信息，这其中涉及对几何、材料、物理与力学等抽象与集成，特别是整车系统必须考虑各种复杂工况，所以需要通过人的大量的思维活动来完成，实现CAD-CAE集成是一个长期的过程。两者完全融合今后也是难以达到的。梁国平：CAD与CAE的集成的确是一个很大的趋势。过去采用的CAE，实际上是一个CAD再加上一个通用CAE软件，这是很初级的，其趋势是应该集成到一块，二者应该是无缝连接的。不同的行业不同的企业，采用的CAD软件也都不同，因此很多软件厂商在集成方面的努力市场前景还不确定。企业也越来越要求在整个PLM过程中进行CAE分析。用户一般在集成时进行二次开发。但是中国的用户本身的开发能力很有限，所以一般是采用与软件提供商合作的方式，这种方式比较容易成功。另外，企业在旧有的CAE软件基础上进行集成恐怕会很困难，因为旧软件不一定支持二次开发。所以，集成的挑战，主要在于用户自己的技术力量。Ron：以往的CAE分析与CAD设计割裂，导致了以下三个主要问题：1、CAD设计发生变化时，部件或装配件的CAE模型更新变得十分困难；2、CAE结果不能反映最新的CAD设计特征；3、得到CAE计算的时间太晚，结果CAE不能及时地用于优化产品设计。这些问题导致时间、人力和物力的浪费。市场竞争的压力要求厂商进一步缩短产品设计时间，并节省成本，因此CAD与CAE的集成势在必行。国内的一些汽车厂商发现自己的CAE工程师花费大量的时间在CAE模型准备上，这不但造成资源的严重浪费，而且严重的影响设计进度，使得工程师失去了产品创新的时间。造成这种现象的根本原因就是，CAE分析和CAD设计的割裂。现在的应用情况是，CAE分析工程师所需的几何数据和CAD部门的原始几何数据不能建立直接的联系，这打破了CAD和CAE数据的关联性，造成了不必要的浪费。因此只有把CAD与CAE集成起来，然后有一个统一的数据管理平台，比如UGSTeamcenter，进行集中管理，保持CAD和CAE数据的关联性，才可以使CAE的分析结果及时的指导产品设计。因为NX可以在Multi-CAD环境下工作，所以在CAE环境下访问，创建、修改和修补几何体，是我们与其他仿真软件供应商的主要区别。蒋辉国：集成主要解决的是CAE的方便性和普及性的问题。作为复杂的专业性领域，目前大多数分析问题还是由专业性软件来解决。在工程设计中，也有这种集成在CAD软件中的普及型CAE软件，比如说我们的FluentforCATIA，这套软件基本上Fluent的全套功能都集成在CATIA中了，在设计的时候，如果需要初步检验设计是否合理，只需要点击Fluent的一些功能就可以进行相应的流体力学分析。还有一些其他的软件具有或多或少的CAD与CAE集成功能。在结构分析领域，与CAD结合的CAE软件相对多一些，因为结构分析的技术相对成熟，矛盾的焦点集中在怎么样方便使用。对流体力学分析领域，有些问题已经可以实现非常准确的模拟，对于此类问题，CAD与CAE的集成将有利于提高效率和推广CAE的应用。而对于一些复杂的流体力学问题，模拟的精度即物理问题的数学描述模型的准确性是目前亟待解决的主要问题。戚国焕：CAD与CAE的集成目前是一个很大的问题。CAD与CAE，和CAD与CAM，这两种集成，差距非常大，后者的集成现在做得非常好，真正体现了设计工艺的一体化。由于CAD几何模型到CAE中做网格的时候，并不是直接使用，而是要先进行几何清理，目的是达到一个平衡，就是在网格质量足够好的情况下，使网格数量适当少一些。几何清理对CAE非常重要，但对一体化却造成影响，因为几何清理之后，网格关联性就被破坏了，那么一体化就不存在了。现在二者的联系存在两种状态，第一种，从有限元角度来说，CAD与CAE割裂的状态没有改变，有些厂商宣称可以做到一体化，我认为实际上有一定的误导。因为一体化牺牲了单元和求解的质量，这样使得分析的实用性大大降低，因此就没有价值了。为了解决这个问题，我们发展了一些另外的技术来弥补这个问题，就是我们的“自动网格变更”。当CAD大致定稿之后，做CAE分析实际上还要进行一些结构等方面的变更，这种变化我们不把它反映到CAD中，而是直接在网格上进行，在变化的过程中进行分析，当分析结果比较合理以后，再把定稿的结果抽取出来，返回到CAD中进行调整。我认为这种方法能减少设计迭代中的麻烦。很多传统的CAD厂商也在提这种一体化的概念，就是希望CAD工程师能够在设计的时候进行一些CAE分析，但实际上这还是一种传统的设计思路，CAE起到的仍然是后期校核功能，这种思路在全球已经发生了变化。目前全球已经提出了一种“概念设计优化”的理念，就是在设计之前运用CAE工具进行优化，直接找出最佳的设计路径。所以现在的问题不是一体化，而是在概念设计之前通过CAE优化找出最佳的设计，因此业界提出一种新的思路叫做“CAE驱动的设计”。多物理场耦合《e制造》：多物理场在仿真分析过程中已经越来越普遍，您如何看待多物理场耦合的前景？宁振波：单个的场就已经很复杂，多场结合就更复杂了，比如流固耦合，因为流体是基于固体不变形的情况进行计算的，但是固体的静力或者动力是基于固体变形的基础上考虑的，所以这两种场，基础算法、网格h划分方法完全不同。多物理场现在比较普遍。比如说流体，不光是内流，还有外流。稍微复杂一点的产品，有流体、固体，还有电磁、热等问题。产品的复杂程度越高，牵扯到的场就越多越复杂。顾镭：多物理场耦合问题是目前复杂产品研发CAE分析中比较常见的，而且令人头疼的问题。由于影响因素是多领域、多学科的，包括机、电、液、热、化学等，若忽略其中一个物理场，就会对分析精度产生很大影响，要保证产品的质量，就必须加