CAE入门知识介绍

CAE入门知识介绍

1 CAE设计的分类及发展方向

CAE(Computer Aided Engineering)是计算机辅助工程的英文缩写，被广泛应用在包括国防、航空、航天、机械制造、汽车、船舶、兵器等众多领域，分为结构分析、CFD（流体动力学分析）、NVH（震动与噪声分析）、多体动力学分析、材料成型性能分析、热传导分析及岩土力学分析等等。其中结构分析又可以分为：刚强度分析、碰撞分析、疲劳分析、优化分析等。NVH分析可以分为：模态分析；频响分析；震动分析及噪声分析等。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，CAE分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有CAE分析计算。在进入了CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性﹑可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题。根据当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出CAE分析方法的一些发展趋势：

1.1 与CAD软件的无缝集成

当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。

1.2 更为强大的网格处理能力

由于网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分。

1.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题

随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。

1.4 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解

有限元分析方法最早主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如热力耦合问题、流固耦合问题等。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。

1.5 程序面向用户的开放性

随着商业化的提高，由于用户的要求千差万别，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。

2 适用的范围及在汽车设计中能解决的实际问题

CAE与传统的工程验算或强度校核计算是一脉相承的，随着有CAE技术的完善，它已

经成为现代产品开发中关键的一部分，核心作用是对产品质量的控制和提升。汽车CAE 在国外已经得到非常广泛和深入的应用，通过对产品的全面仿真模拟计算，达到对产品性能的全方位预演和掌控。在现代汽车企业的竞争中，产品的质量、成本和投放市场的周期是最核心的竞争力的体现。CAE在汽车开发中的作用也主要体现在这三个方面，它能指导设计工程师完成最优化的设计，计算机模拟又能大量的压缩样车试验论证的内容和周期。

汽车CAE，几乎已经涵盖了我们对汽车性能要求的所有方面，包括刚度、强度、疲劳寿命、振动噪声、运动与动力性分析、碰撞仿真和乘员保护、空气动力学特性等等；主要能解决以下问题：

2.1 汽车碰撞及乘员安全性分析

汽车碰撞主要分为两个领域：结构碰撞分析和乘员安全分析。结构碰撞用来模拟在碰撞过程中汽车结构本身所表现出来的性能：主要吸能部件的能量吸收情况、乘员生存空间的变化情况、与乘员接触区域的速度、加速度的变化等。通过修改结构、更换金属材料等方式提高汽车本身的耐撞性能，从而达到在设计初期优化设计、并缩短研发周期、节约经费的目的。当前主要的汽车结构碰撞法规有正撞、偏碰、侧碰、追尾等。汽车结构碰撞模型包括：有限元网格（车身、底盘、四门两盖、动力总成、转向系统、油箱及排气系统）、材料模型（汽车材料的应力应变曲线、应变率曲线、钣金料厚）、胶套的力学曲线（底盘、发动机悬置、排气系统吊挂）、焊点的失效力。

乘员安全分析主要模拟在碰撞过程中假人的响应情况，相应于结构碰撞，主要考虑假人在正碰、偏置碰、侧碰、后碰过程中假人的响应，模拟假人的损伤情况。主要性能指标有：头部HIC值、头部加速度、颈部损伤、胸部压溃量、大腿受力等。通过修改车体结构、重新匹配乘员约束系统等方式，从而达到减小碰撞过程中乘员损伤的目的。乘员安全分析模型包括：假人、座椅、安全带、安全气囊等。当前常用的有限元假人有LSTC假人和FTSS假

人，LSTC假人的单元较少、精度一般，但计算速度快，因此一般常用于设计初期。而FTSS 假人计算速度慢，常用于后期的设计验证。安全带模型必须具有正确的卷收器拉出和回收的力学性能曲线，并准确定位。安全气囊模型需要定义输入气体的质量流曲线、温度流曲线、织物及泄露孔的气体泄露等。

汽车碰撞是一个繁琐的模拟过程，在其间有太多的因素影响分析结果，因此必须有实验作为验证，以实验为基准来调整模型，这样的分析结果才有更高的可信度。

2.2 多体运动与动力性能分析

多体动力学分析是复杂机械系统的机构分析，是分析系统运行过程中这些部件间的相对运动关系；多体动力学仿真软件ADAMS的汽车专业模块可以模拟包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，可以在高速动画下直观的再现在各种实验工况下（例如：天气、道路状况、驾驶员经验）整车动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数。也可以同控制系统模拟相结合，协助开发如ABS、ESP等制动系统；也可以通过其驾驶员模拟驾驶员的行为特征，确定各种操纵工况（如：稳态转向、转弯制动、ISO变线实验、侧向风实验等），同时确定转向盘转角和转矩，加速踏板位置、作用在制动踏板上的力、离合器的位置、变速器挡位等，提高车辆动力学仿真的真实感，还可以通过调整驾驶员行为适应各种汽车特定的动力学特性，并具有记忆功能。多体动力学分析也可以模拟汽车局部机构的静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，也可以预测虚拟机械系统的运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

2.3 流体动力学分析

汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是进行风洞实验，一种是利用CFD(ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ)程序进行数值模拟，即计算流体动力

学分析。传统的风洞实验结果一般可靠性比较高，但由于它有许多局限性，如风洞实验成本高、周期长、需要制作一系列油泥模型等，阻碍了它在汽车设计中的应用。与风洞实验相比，CFD方法精度不如风洞实验，但却几乎克服了它的所有局限性。在过去的十几年中，随着计算机技术的发展，CFD被越来越多的应用到汽车设计中。

CFD使用的方法是对所需分析的问题先抽象出其流场的控制方程，然后再用计算数学的算法将其离散到一系列空间网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制一切流体流动的基本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们可以分别导出连续性方程、动量方程(又称纳维尔—斯托克斯方程)和能量方程。由它们可以联立得到纳维尔—斯托克斯方程组,简称为N-S方程组。N-S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律。

CFD在汽车领域中的大部分应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。空气动力学指标是汽车(特别是轿车)最重要的参数之一,它对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响。根据对汽车的不同部位的大量的计算结果表明修改车身的几何外形不应该仅仅依据对气动阻力大小的影响，局部流场结构同样非常重要。通过CFD的模拟能够确定局部几何形体的改变对气动力的影响,并且能够直接比较两种不同车身设计的气动性能。CFD 软件是进行车型空气动力学性能选优的重要工具。在汽车内燃机的设计和开发中，CFD已经被作为一种重要而有效的工具加以利用。内燃机的燃烧过程很大程度上受燃料与空气混合程度的影响。这种混合是一种复杂的瞬态流动。目前，绝大多数CFD商用软件均可以解决此问题，它们均提供有求解多元混合流动的模块，而且计算精度均比较高。

另外，CFD分析也广泛应用于汽车空调与风道系统的开发，乘员舱热舒适性分析，除霜/除雾分析，发动机舱换热分析；而且在发动机冷却水套分析，底盘、外形、后视镜及绕流部件的阻力分析，汽动噪音分析，油箱加注分析，刹车盘冷却分析，在汽车制冷风扇的叶片设计以及液力变矩器流动分析，增压器流动分析，发动机进排气系统分析，发动机三维催

化装置等分析中，CFD分析结果也被大量地使用。

2.4 强度分析

可以计算白车身、四门两盖的刚度、强度；底盘零部件及其他汽车零件的刚度、强度校合计算。可以虚拟计算白车身、前后门，前后盖等的刚度、强度及在各阶模态下的振型、频率；也可以虚拟计算各个零部件在各种极限工况下的位移、应力云图，得出最大应力、位移的数值及发生的位置等。

2.5 NVH模拟分析

NVH是指Noise（噪声）、Vibration（振动）、Harshness（声振粗糙度），由于他们在车辆等机械中是同时出现且密不可分的，因此常把它们放在一起来研究。简单地讲，乘员在汽车中的一切触觉和听觉感受都属于NVH研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源(发动机、变速器等)、振动传递器(由悬挂系统和边接件组成)和噪声发射器〔车身〕组成的系统。汽车NVH特性的研究应该是以整车作为研究对象的，但由于汽车系统极为复杂，因此经常将它分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统(主要包括前、后悬架系统)、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一种工况下的NVH特性。

基于CAE技术，要分别建立汽车的白车身、闭合件、悬架、动力总成、转向系统、声腔、座椅乘员等各子系统的有限元模型，然后再装配成整车模型。利用Nastran、ABAQUS 等求解器来模拟汽车的工作状态，在整车模型上施加相应动态裁荷，计算出动态响应、得到相应动态性能进行评估和优化设计。针对上述子系统，应用模态分析、瞬态响应分析、随机响应分析、频率响应分析来模拟各种工作状态。对于驾驶舱要使用声振耦合分析来模拟。

2.6 车身及其零部件的结构构优化、疲劳分析等

可以通过对零部件进行结构优化，达到零件减重，提高刚度强度的效果；也可以对零部

件在设计阶段进行疲劳分析，从而可以预估零件的使用年限。

3 目前主流CAE软件的应用特点

3.1 Hypermesh

HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，它能让CAE分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较，HyperMesh的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维CAD几何模型(Pro/E,CA TIA等)已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得CAE分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。同样，Hypermesh也具有先进的后处理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和动画等。

3.2 NASTRAN

NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件，它的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，主要功能模块有基本分析模块（含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合等）、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块等；

3.3 ABAQUS

ABAQUS是一套功能强大的模拟工程的有限元软件，其解决的问题从相对简单的线形分析到许多复杂的线形问题。它包括一个十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数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、可压缩有弹性的泡沫材料以及类似于土和岩石等地质材料。

3.4 LS-DYNA

LS-DYNA作为通用非线形有限元软件，其分布存储显示解算器提供了最快的计算速度，主要用来分析三非弹性结构的非线形动态响应。其全自动接触分析能力和错误校验功能可以帮助用户解决复杂的碰撞和成型问题。

3.5 ADAMS

ADAMS软件是机械体统动力学仿真软件，它使用交互试图形环境和零件库、约束库、力库等创建完全参数化的几何模型，求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力等曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件还有针对不同行业开发的专业模块，其中汽车行业模块包括ADASM/Car( 轿车模块)、ADAMS/Chassis(底盘模块)、ADAMS/Driver(驾驶员模块)、ADAMS/3D Road(三维路面模块)、ADAMS/Tire(轮胎模块)、ADAMS/Engine powered by FEV(发动机设计模块)；还包括与有限元分析软件及CAD 软件的接口模块等。

3.6 StaT-CD

STA T-CD是流体分析软件，它采用基于完全非结构化网格和有限体积方法的核心解算器，具有丰富的物理模型、内存占用较小、具有易用性、收敛性和二次开发接口。用于汽车、航空航天、兵器、核动力、家电等行业的流体分析。