CAE技術在機械設計領域中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉鴻莉 張軼 劉軍

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.004

摘 要：CAE技術在機械設計領域中占有舉足輕重的地位，是縮短產(chǎn)品生命周期，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力的關鍵技術，是提高企業(yè)市場競爭力的重要手段。為了使CAE技術在機械設計領域充分發(fā)揮作用，該文對CAE在機械產(chǎn)品開發(fā)流程中的地位及應用狀況進行了說明，分析了CAE應用過程中出現(xiàn)的問題和原因，提出了改善對策，探索了CAE的發(fā)展方向。

關鍵詞：CAE技術 機械設計 產(chǎn)品開發(fā)流程

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（c）-0004-04

CAE技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興的多學科交叉技術。CAE源于Computer Aided Engineering的中文翻譯，泛指用計算機輔助分析、計算和仿真在內的一切研發(fā)活動，其核心是基于計算力學的有限元分析技術[1，2]。

21世紀是信息時代，隨著計算機技術的高速發(fā)展，CAE技術取得了長足進步，作為一項跨學科的數(shù)值模擬分析技術，越來越受到科技界和工程界的重視。以美國福特汽車為例，在2000年引用CAE技術之后，與20世紀90年代初期相比較，新車的開發(fā)周期由原來的36個月降低為12～18個月，開發(fā)后期設計修改率減少50%，原型車制造和實驗成本減少50%，投資收益提高50%[3]。豐田和馬自達等主流汽車也從CAE的應用中大大受益，減少了實機測試的次數(shù)和成本，縮短了開發(fā)周期，使投資收益大大提高。CAE技術在其他的機械設計領域中也發(fā)揮了作用，目前，航空航天、醫(yī)療器械、重工機械等行業(yè)對CAE技術的應用都非常重視，CAE在產(chǎn)品設計的質量、壽命、性能和成本等方面發(fā)揮的作用已經(jīng)無可替代。可以說，CAE技術的應用程度已經(jīng)成為衡量一個國家科學技術水平和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標志，以美國為首的發(fā)達國家甚至將CAE技術作為“事關國家競爭力和國家安全的戰(zhàn)略技術”。

1 CAE技術在開發(fā)流程中的應用狀況

在CAE技術沒有被產(chǎn)品開發(fā)利用之前，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程是一個由設計者主導，輔助CAD工具，進行反復設計的過程。設計者完成產(chǎn)品的設計后，提交制造部門進行生產(chǎn)，然后對樣機進行實機測試。如果產(chǎn)品的功能不滿足設計要求，就重新設計，再試做，如此循環(huán)，直到全部滿足設計要求為止。這是一個周期長、耗費高的過程，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)周期的要求。

隨著各種數(shù)值分析方法及力學理論的不斷發(fā)展與完善，加之高速、大容量計算機的出現(xiàn)與推廣，使高精度、大規(guī)模計算成為可能，從而推動了CAE技術的飛速發(fā)展。產(chǎn)品設計由原來的實機驗證轉變?yōu)镃AE驅動的設計過程。現(xiàn)代產(chǎn)品設計中，CAD完成初步設計后，首先進行基于CAD模型的產(chǎn)品功能CAE虛擬試驗，對產(chǎn)品的強度、剛度等工作性能進行仿真，如果不滿足設計要求，就重新設計，直到功能全部滿足設計要求，再進行試做。這樣的設計流程，大大縮短了實物試驗的周期，降低了試驗成本。

傳統(tǒng)的開發(fā)流程與CAE驅動的開發(fā)流程如圖1、圖2所示。

由圖2可以看出，CAE虛擬仿真技術已經(jīng)在開發(fā)流程的各個階段得到了應用。概念設計階段要借助CAE技術進行評估；設計階段利用CAE技術進行反復的設計優(yōu)化；實機測試前，要借助CAE工具進行整機的虛擬仿真。在CAE驅動的開發(fā)流程中，因為CAE的虛擬仿真技術，使產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大減少，生產(chǎn)成本大大降低。在CAE技術應用最多的汽車、船舶和重工行業(yè)中，CAE技術的應用場合已經(jīng)被明確寫入了產(chǎn)品開發(fā)流程中，通過開發(fā)流程被定義下來[4]。因此，從某種程度上講，CAE技術在開發(fā)流程中已經(jīng)發(fā)揮了引領開發(fā)的作用。美國AVL公司用實踐結果證明，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，越早引入CAE技術，企業(yè)受益越大[5]。

2 CAE技術在機械設計中的應用領域

隨著CAE技術的不斷發(fā)展，使其在機械設計領域中的重要地位得到了業(yè)內的充分認可。CAE技術與CAD技術并行成為機械設計的必備工具[6]。世界上最大的CAE軟件公司美國ANSYS公司在中國用戶大會上提出：做不做仿真已經(jīng)不是問題，問題是如何做仿真。

目前，CAE技術已經(jīng)被廣泛應用于機械、電器等產(chǎn)品的設計中，特別是汽車、航空航天、船舶、醫(yī)療器械等行業(yè)。CAE的應用類型包括：強度分析、剛度分析、疲勞分析、碰撞分析、多體動力學分析、熱分析、噪音分析、電磁場分析、模具成型分析等等。下面以CAE技術應用最為廣泛的汽車行業(yè)為例簡要說明CAE在機械設計中的應用領域[7]。

汽車中的CAE技術包括兩大類，汽車設計CAE技術和汽車制造CAE技術。

汽車設計CAE技術主要指結構、疲勞、振動和碰撞分析。分析內容包含整車、子系統(tǒng)，零部件的模態(tài)、剛度、強度和疲勞分析，車內的噪聲分析，以及受到發(fā)動機、路面等激勵時的頻率響應分析。碰撞分析中不僅對高速正面沖撞進行模擬分析，還對來自汽車側面、后面、頂部的沖撞現(xiàn)象以及強度部件對沖擊能量的吸收量、沖撞變形、人體在沖擊下的二次碰撞進行分析。

汽車制造CAE技術與設計CAE技術是一個有機系統(tǒng)，相互促進。制造CAE是對汽車制造過程的金屬流動和溫度變化的分析。例如沖壓成形分析、鍛造分析、鑄造分析、塑料成形分析等。通過CAE仿真，預測金屬成形過程中可能出現(xiàn)缺陷的位置，分析缺陷發(fā)生的原因，制定改善對策，從而達到預防實機制作時缺陷發(fā)生的目的。

3 CAE技術應用中的問題和對策

CAE技術在機械設計領域中的地位已經(jīng)得到了認可，但是在CAE的應用深度和廣度上還存在很多問題。各個行業(yè)間的差距比較大，發(fā)展中國家與發(fā)達國家的差距也很大。

3.1 存在的問題點

（1）國內CAE技術應用相對國外發(fā)達國家的CAE技術應用較為落后。國內的一些企業(yè)盡管引進了CAE系統(tǒng)，但是并沒有充分發(fā)揮CAE的作用，對CAE技術的深度和廣度理解不足。不知道CAE可以解決哪些問題，不能充分利用CAE技術去有效地解決問題。

（2）國內很多企業(yè)對CAE技術重視度不夠，CAE人員流失嚴重。由于CAD技術早于CAE技術進入中國市場，因此產(chǎn)生了先入為主的歷史遺留問題，很多企業(yè)中出現(xiàn)重設計，輕分析的現(xiàn)象，認為設計做得好，仿真就可以不做了，仿真可有可無。因此CAE人員工作積極性不高，流失嚴重，很難在CAE領域進行深入探索研究。

（3）缺乏完善的CAE行業(yè)規(guī)范。目前已經(jīng)有很多企業(yè)嘗試著做本企業(yè)的CAE標準，但是在CAE領域并沒有形成統(tǒng)一的仿真規(guī)范。這樣會導致不同的企業(yè)之間，不同的分析人員之間，得到的仿真結果不同，缺乏可比性，也不利于CAE技術領域的整體提高。

3.2 改善對策

（1）提高對CAE技術的理解和認識。企業(yè)要定期派技術主管參加技術創(chuàng)新聯(lián)盟、CAE軟件發(fā)布會等相關的技術交流會，及時捕捉CAE技術的發(fā)展現(xiàn)狀和國內外知名企業(yè)的利用情況，充分理解CAE的功能和局限性。CAE的目的是通過仿真，使設計缺陷提早表現(xiàn)出來，從而使設計者對可能發(fā)生的設計缺陷進行改善，實現(xiàn)優(yōu)化設計，避免缺陷發(fā)生，減少實機測試的時間和測試成本。并不是說有了CAE技術就不用實機測試了，這也是CAE仿真的局限性。CAE技術是減少試驗的次數(shù)，而不是完全的代替試驗，試驗是為了驗證CAE的準確度，二者相輔相成。

（2）企業(yè)要對CAE人員的工作給與肯定和重視，加快CAE團隊的建設。企業(yè)領導要認識到CAE的作用和難度，特別是后者，CAE的應用能力不是有了軟件就立竿見影的，要想充分發(fā)揮CAE的作用，需要的是既有必要的理論知識，又要有一定的工程實踐經(jīng)驗的CAE工程師。CAE技術需要長期的工作經(jīng)驗和技術積累，只有企業(yè)領導充分認視到CAE的作用，對CAE技術人員給與充分重視和關懷，才能確保人才的成長和穩(wěn)定，從而提高企業(yè)CAE的技術水平。

（3）要逐漸建立健全CAE業(yè)內的規(guī)范及評價標準。目前，CAE的可靠性在企業(yè)中是通過實機測試來檢證的，因為缺少行業(yè)內的評價標準，在很多企業(yè)中，CAE的分析結果是不能被設計人員直接引用的。因此，如何保證CAE的仿真精度，是CAE領域的重要課題。這需要企業(yè)與CAE軟件研發(fā)部門共同探討研究，所以加強行業(yè)內的溝通，建立CAE業(yè)內的規(guī)范及評價標準勢在必行。

ANSYS公司在中國用戶大會上提出，CAE的發(fā)展過程是：采納級→重復級→預測級→驅動級→引領級。首先是企業(yè)能夠采納CAE技術，接下來是CAE分析的重復操作，結果作為設計者優(yōu)化設計的依據(jù)，從而利用CAE技術提前模擬實機測試，預測試驗中的不良點，提前應對，然后發(fā)揮驅動設計的功能，最終引領設計。每個階段的過渡需要1～2年，不同的企業(yè)需要的時間也不盡相同。

4 CAE技術的發(fā)展方向

綜合CAE技術在機械設計領域中應用的問題點和對策，結合筆者多年企業(yè)的CAE工作經(jīng)歷和相關文獻的調查研究，認為CAE技術應該從以下幾個方面進行思考和探索。

（1）CAE軟件測試體系的構建。隨著CAE技術在機械設計領域中應用廣度和深度的提高，企業(yè)對CAE的仿真結果和可信度要求越來越高。在利用CAE軟件進行工作狀態(tài)仿真時，對產(chǎn)品模型的簡化和近似是必須的，導致計算結果會與實機情況產(chǎn)生偏差。在近似和簡化不可避免的情況下，如何評估物理模型的可靠性和數(shù)值計算程序的準確性，是一項非常重要的工作。目前，國內外在CAE技術研究領域中應用最多的手段是驗證與確認技術（V&V）[8]，也就是軟件測試技術。美國和日本已經(jīng)將V&V技術引入CAE領域，國內很多機構也對V&V技術在CAE領域的應用進行了研究，但是發(fā)表的論文并不多。如何構建基準的測試模型、進行設計與實施驗證試驗是CAE技術進行深入研究必須要考慮的重要問題。

（2）CAE分析標準的建立。國際上，AIAA組織在1998年發(fā)布了計算流體力學模型中的驗證與確認指南，IEEE組織的成員也報道了他們在計算電磁學建模和代碼確認方面的標準制定工作。國內的軟件測試，相對發(fā)達國家還有一定距離，但是，對V&V技術的標準建立也展開了研究和探索。

CAE標準的建立途徑有兩個：一是自己通過試驗和仿真相互校核，建立相關產(chǎn)品的評價標準；二是利用相關行業(yè)已有的經(jīng)驗來輔助自己建立CAE分析標準。CAE標準的建立需要大量的工作，并且要結合試驗結果，但是這個過程是CAE標準建立的必由之路。CAE的標準內容如圖3所示。

其中分析類型是指結構分析、熱分析、流場分析等，同時明確是否需要做熱-結構耦合分析，結構分析是靜力分析還是動力分析，是靜態(tài)分析還是動態(tài)分析等問題。分析標準的建立中，模型的簡化和分析結果的評價定義是非常艱難的，需要幾代CAE人的經(jīng)驗積累。

（3）CAE工作團隊管理模式的規(guī)范化。CAE技術是近幾年發(fā)展起來的新興技術，CAE工作者的工作內容已經(jīng)由最初的軟件分析拓展到CAE標準的建立及CAE分析可靠性的確認，因此，CAE團隊的組建和職責明確已經(jīng)勢在必行。與設計部門的職責相似，CAE部門要設定技術總監(jiān)、技術主管和技術員3種職能。技術主管對技術員的工作負責，技術總監(jiān)負責CAE部門的總體工作。只有形成明確的組織模式，CAE工作的開展才能順利推進，CAE人員的成長方向才能有跡可循。

5 結語

該文詳細說明了CAE技術在機械設計開發(fā)流程中的應用地位，概括說明了CAE技術在機械設計領域中的應用種類和狀況，總結分析了CAE技術應用中的問題點和原因，提出了改善對策，并根據(jù)多年的工作經(jīng)驗和文獻研究，指出了CAE技術的發(fā)展方向。從該文的介紹可以看出，CAE技術在機械設計領域中的地位已經(jīng)得到了認可，應用CAE技術可以減少實機測試的次數(shù)和時間，節(jié)約試驗成本的事實已經(jīng)得到了企業(yè)的驗證，然而，隨著CAE技術的應用廣度和深度的提高，對CAE可靠性的要求也越來越高，因此，V&V成為CAE技術領域中的重要研究方向。該文的研究探索，對機械設計領域的CAE人員有一定的啟發(fā)作用，對企業(yè)的CAE技術方向有一定的引導作用，對于高校機械設計專業(yè)培養(yǎng)方案的制定有一定的參考價值。

CAE技術是一門新興的多學科交叉技術，如何拉近中國與發(fā)達國家的CAE技術應用水平，充分運用CAE技術為中國制造做貢獻，對于機械工作者任重而道遠。

參考文獻

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[5] Maik SUFFA， Franz ZIEHER， Andreas ENNEMOSER，

et al.AVL如何將CAE集成到產(chǎn)品開發(fā)過程中[C]//APC聯(lián)合學術年會.2010.

[6] 張勝蘭.基于HyperWorks的結構優(yōu)化設計技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：1-2.

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[8] 李勇.計算電磁學研究中的v&v方法概述[J].強激光與粒子束，2016（3）：182-188.