CAE技术在企业的应用

2020/3/20CAE技术在企业的应用张小格东风汽车车轮有限公司2020/3/20内容1.CAE概述2.CAE软件的功能及技术发展趋势3.CAE技术在企业的应用4.车轮公司CAE技术的应用2020/3/201.CAE概述1.1什么是CAE？CAE是ComputerAidedEngineering的缩写，中文翻译为计算机辅助工程。CAE是一种迅速发展的信息技术，从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程或产品的可用性与可靠性。2020/3/201.CAE概述1.1什么是CAE？简单来说，CAE就是一种用计算机来对设计产品的性能、功能和安全性进行模拟仿真的技术。CAE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重要技术，它们已经在提高工程/产品的设计质量，降低研发成本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。2020/3/20现代制造业信息化技术CAD–ComputerAidedDesign计算机辅助设计CAE–ComputerAidedEngineering计算机辅助工程CAM–ComputerAidedManufacturing计算机辅助制造CAPP–ComputerAidedProcessPlanning计算机辅助工艺过程设计PDM–ProductDataManagement产品数据管理PLM–ProductLifecycleManagement产品生命周期管理ERP–EnterpriseResourcePlanning企业资源计划BOM–BillofMaterial物料清单2020/3/20企业信息化支撑平台企业信息数据库PDM产品数据管理CAMCAECAPPCAD工作流程管理图文档管理产品设计过程管理产品信息工艺信息ERP企业资源计划生产计划需求计划销售管理库存管理财务管理质量管理采购管理人力资源生产成本控制生产流程管理产品生产过程管理BOM（Ebom、Pbom）SCM供应链管理CRM客户关系管理2020/3/20一、CAE概述1.2有限元与CAECAE分析方法有限元法（FiniteElementMethod）有限差分法（FiniteDifferenceMethod）边界元法（BoundaryElementMethod）目前应用最多、最广的就是有限元法，所以有时也把CAE称为有限元分析，有限元法通常称为FEM（FiniteElementMethod），有限元分析称为FEA（FiniteElementAnsys）。2020/3/20一、CAE概述1.2有限元与CAE有限元分析是利用数学的方法对真实物理系统进行模拟。有限元模型：真实系统理想化的数学抽象有限元模型真实系统2020/3/20一、CAE概述1.3有限元分析过程有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。有限元分析过程后处理求解前处理典型的有限元软件分析流程几何模型的建立模型数据导入几何模型修补网格生成边界条件定义问题求解结果可视化前处理求解CAD软件PDM数据库通用数据扫描数据自身建模CAD接口：直接接口、中间接口缝补丢失的面、体去特征（倒角、小孔、凸台等）分割体、面自动、半自动网格六面体网格特殊单元（焊接单元、弹簧阻尼单元、接触单元）材料、约束、载荷、初始条件机构运动学结构热计算流体动力学(CFD)电磁耦合场(散热、声场)等值线或云图结果查询结果列表动画图表时间历程曲线后处理2020/3/202.CAE软件的功能及技术发展趋势2.1CAE软件的功能结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析-多物理场优化分析2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.1结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等静力分析模态分析响应分析动力学分析专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析，焊接分析，板料成形分析2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.1结构分析FE-SAFE疲劳分析RecurDyn多体动力学LS-DYNA碰撞/成型Mechanical刚强度/振动2020/3/20焊接残余应力分析（Sysweld）结构与焊缝布置焊接过程的温度分布与轴向残余应力2020/3/20多工步拉延分析（Dynaform）第二次成形切边翻边-最终工序第一次成形2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.2热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等，热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析功能:相变(熔化及凝固),内热源(如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射)2020/3/20淬火分析（Ansys）淬火3.06min时的马氏体分布淬火3.06min时的温度分布2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.3电磁分析计算电磁场，考虑的物理量主要是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。电场分析-计算电阻或电容系统的电场静磁场分析-计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场交变磁场分析-计算由于交流电(AC)产生的磁场瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场高频电磁场分析-用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.3电磁分析LinFlow颤振分析EMAG有限元法CableMod电缆EMC/SIPCBModPCBEMC/SIFEKO矩量法2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.4流体分析(CFD)用于确定流体的流动及热行为。CFD-计算流体动力学声学分析容器内流体分析流体动力学耦合分析2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.4流体分析(CFD)CFX精确/快速LinFlow颤振分析CART3D飞行器预研AutoReaGas气体燃爆2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.5耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。其他需要耦合场分析的典型情况有:热—应力分析流体—结构相互作用感应加热（电磁—热）,感应振荡2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.5耦合场分析流固耦合涡轮机械流-固-热耦合电弧焊结流体电磁2020/3/202.1CAE软件的功能2.1.6优化分析在给定的条件下实现产品最佳效果，设计目标包括质量、体积、应力等。拓扑优化：在给定设计空间内找出最佳的材料分布形貌优化：在给定结构上确定优化的加强筋布局形状优化：在给定条件下确定结构最佳性能的边界尺寸优化：在给定条件下确定结构最佳性能的尺寸2020/3/202.1CAE软件的功能优化分析2020/3/202.1CAE软件的功能优化分析2020/3/202.1CAE软件的功能优化分析需要注意的问题优化分析必须要有全局的眼光，如做结构优化时，除了考虑产品本身的性能外，对改进后的产品从工装、工艺、外观形象、用户投诉情况等等也要考虑。如果优化设计后产品的性能再好，但产品加工出来的废品率很高，产品配套的工装模具几乎全部重新投入造成生产成本成倍地增加，或者设计出来的产品在外观上用户很难接受，这些都算不上成功的优化。2020/3/202.CAE软件的功能及技术发展趋势2.2CAE技术发展趋势从单学科到多学科，对同一问题或同一种产品所涉及的专业越来越多，涉及的领域也越来越广从独立到联合，进一步加强企业各部门之间的联系与合作从分散到协同，更加注重多个物理场的耦合作用，注重不同学科、不同领域之间的协同设计与分析从性能预测、模拟验证到优化，实现设计的最终目标2020/3/203.CAE技术在企业的应用3.1CAE在企业的定位CAE在企业的定位就是模拟验证，即通过数字模型在产品研制方案阶段进行预测、详细设计阶段进行验证，试验阶段进行对比完善。达到缩短研发周期，提升设计性能，降低成本的目的。CAE分析是现代产品研发流程不可缺少的一部分，并且逐步起到引领技术创新的作用。2020/3/203.CAE技术在企业的应用3.2CAE与试验验证试验验证周期长，成本高,模拟验证速度快，成本低。两者相辅相成、互相指导，但不能互相替代。通过CAE可以在试验验证前对关心的产品性能进行仿真分析，可以使试验验证更有针对性，可以减少试验验证的次数，从而降低成本。2020/3/203.CAE技术在企业的应用3.3CAE在产品生命周期中的作用概念设计阶段详细设计阶段制造阶段试验阶段市场/销售阶段支持服务阶段报废阶段2020/3/203.3CAE在产品生命周期中的作用3.3.1概念设计阶段概念设计就是根据市场需求、产品功能等进行产品规划和方案设计。CAE分析可以为设计人员提供用户基础设计的验证、不同方案的对比分析，并为企业决策者进行产品决策和商务决策提供参考；它能够回答企业是否在预定的时间、预定的成本以及现有的设备能力等约束条件下完成用户需求的开发设计和制造任务。2020/3/203.3CAE在产品生命周期中的作用3.3.2详细设计阶段在此阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计、直到图纸、材料、制造工艺等。CAE仿真分析就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由设计工程师和制造工艺师参与完成。2020/3/203.3CAE在产品生命周期中的作用3.3.3制造阶段这个阶段是产品实物制造的阶段。CAE分析技术可以优化产品制造的工艺流程、减少废料、简化工艺步骤，找出、并消除那些可能导致产品缺陷的设计要素，仿真分析技术在提高产品“可生产性”的同时也可以大大减少售后服务成本。而一些新的制造工艺流程还可以通过仿真分析来确定其中的某些重要参数，如温度、压力和速度等。2020/3/203.3CAE在产品生命周期中的作用3.3.4试验阶段试验阶段是设计完成后的关键阶段。CAE仿真分析可使物理试验更快获得通过。可以“透视”整个样机的试验，显示出所有检测点的数据，测试工程师利用仿真软件，在实际试验之前就掌握最佳测试方法和最可能的载荷/激励位置，从而显著地减少试验时间，尽可能避免在试验现场进行“猜测”。2020/3/203.3CAE在产品生命周期中的作用3.3.5市场/销售阶段当产品上市销售时，CAE仿真分析可以在推广阶段向客户展示其产品在客户使用环境下的表现，同时仿真分析的结果也可以用到广告中辅佐厂家对产品的介绍。由于仿真分析带来了更好的设计、当然也带来了更好的产品，所以销售也必将增加。2020/3/203.3CAE在产品生命周期中的作用3.3.6支持服务阶段售出的产品都需要技术支持、保养维护、检查、修理。仿真分析技术可以指导现场的维修及备件更换，确保问题的解决，使产品保持原设计的功能。3.3.7报废阶段产品的使用寿命到期之后，就必须报废或回收。利用仿真分析可以选择合适的工艺、材料、以及经济、可行的回收方式。2020/3/203.CAE技术在企业的应用3.4CAE在制造业企业的应用3.4.1CAE应用条件企业高层对CAE的重视和理解CAE分析人员适当的软硬件投入2020/3/203.4CAE在制造业企业的应用3.4.2CAE应用流程CAE必须融入产品设计的全过程，设计和分析同步，才能使其作用最大化。概念设计概念分析详细设计前期分析与优化修改设计后期验证分析必要的样件测试及验证开始设计过程结束产品理想的现代设计过程2020/3/203.4CAE在制造业企业的应用3.4.2CAE应用流程准备软硬件，即根据分析对象及分析的问题选择合适的CAD三维造型软件和CAE分析软件，准备相应工作