CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)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(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)，是提高企業(yè)市場競爭力的重要手段。為了使CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域充分發(fā)揮作用，該文對CAE在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)流程中的地位及應(yīng)用狀況進(jìn)行了說明，分析了CAE應(yīng)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(guān)鍵詞：CAE技術(shù) 機(jī)械設(shè)計(jì) 產(chǎn)品開發(fā)流程

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（c）-0004-04

CAE技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興的多學(xué)科交叉技術(shù)。CAE源于Computer Aided Engineering的中文翻譯，泛指用計(jì)算機(jī)輔助分析、計(jì)算和仿真在內(nèi)的一切研發(fā)活動(dòng)，其核心是基于計(jì)算力學(xué)的有限元分析技術(shù)[1，2]。

21世紀(jì)是信息時(shí)代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，CAE技術(shù)取得了長足進(jìn)步，作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，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(shù)之后，與20世紀(jì)90年代初期相比較，新車的開發(fā)周期由原來的36個(gè)月降低為12～18個(gè)月，開發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%，原型車制造和實(shí)驗(yàn)成本減少50%，投資收益提高50%[3]。豐田和馬自達(dá)等主流汽車也從CAE的應(yīng)用中大大受益，減少了實(shí)機(jī)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(shù)在其他的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中也發(fā)揮了作用，目前，航空航天、醫(yī)療器械、重工機(jī)械等行業(yè)對CAE技術(shù)的應(yīng)用都非常重視，CAE在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、壽命、性能和成本等方面發(fā)揮的作用已經(jīng)無可替代?？梢哉f，CAE技術(shù)的應(yīng)用程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志，以美國為首的發(fā)達(dá)國家甚至將CAE技術(shù)作為“事關(guān)國家競爭力和國家安全的戰(zhàn)略技術(shù)”。

1 CAE技術(shù)在開發(fā)流程中的應(yīng)用狀況

在CAE技術(shù)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(gè)由設(shè)計(jì)者主導(dǎo)，輔助CAD工具，進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)的過程。設(shè)計(jì)者完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)后，提交制造部門進(jìn)行生產(chǎn)，然后對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)機(jī)測試。如果產(chǎn)品的功能不滿足設(shè)計(jì)要求，就重新設(shè)計(jì)，再試做，如此循環(huán)，直到全部滿足設(shè)計(jì)要求為止。這是一個(gè)周期長、耗費(fèi)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(xué)理論的不斷發(fā)展與完善，加之高速、大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與推廣，使高精度、大規(guī)模計(jì)算成為可能，從而推動(dòng)了CAE技術(shù)的飛速發(fā)展。產(chǎn)品設(shè)計(jì)由原來的實(shí)機(jī)驗(yàn)證轉(zhuǎn)變?yōu)镃AE驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)過程?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，CAD完成初步設(shè)計(jì)后，首先進(jìn)行基于CAD模型的產(chǎn)品功能CAE虛擬試驗(yàn)，對產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度等工作性能進(jìn)行仿真，如果不滿足設(shè)計(jì)要求，就重新設(shè)計(jì)，直到功能全部滿足設(shè)計(jì)要求，再進(jìn)行試做。這樣的設(shè)計(jì)流程，大大縮短了實(shí)物試驗(yàn)的周期，降低了試驗(yàn)成本。

傳統(tǒng)的開發(fā)流程與CAE驅(qū)動(dòng)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(shù)已經(jīng)在開發(fā)流程的各個(gè)階段得到了應(yīng)用。概念設(shè)計(jì)階段要借助CAE技術(shù)進(jìn)行評(píng)估；設(shè)計(jì)階段利用CAE技術(shù)進(jìn)行反復(fù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化；實(shí)機(jī)測試前，要借助CAE工具進(jìn)行整機(jī)的虛擬仿真。在CAE驅(qū)動(dòng)的開發(fā)流程中，因?yàn)镃AE的虛擬仿真技術(shù)，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(shù)應(yīng)用最多的汽車、船舶和重工行業(yè)中，CAE技術(shù)的應(yīng)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(shù)在開發(fā)流程中已經(jīng)發(fā)揮了引領(lǐng)開發(fā)的作用。美國AVL公司用實(shí)踐結(jié)果證明，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，越早引入CAE技術(shù)，企業(yè)受益越大[5]。

2 CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，使其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重要地位得到了業(yè)內(nèi)的充分認(rèn)可。CAE技術(shù)與CAD技術(shù)并行成為機(jī)械設(shè)計(jì)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(huì)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(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電器等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，特別是汽車、航空航天、船舶、醫(yī)療器械等行業(yè)。CAE的應(yīng)用類型包括：強(qiáng)度分析、剛度分析、疲勞分析、碰撞分析、多體動(dòng)力學(xué)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(shù)應(yīng)用最為廣泛的汽車行業(yè)為例簡要說明CAE在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用領(lǐng)域[7]。

汽車中的CAE技術(shù)包括兩大類，汽車設(shè)計(jì)CAE技術(shù)和汽車制造CAE技術(shù)。

汽車設(shè)計(jì)CAE技術(shù)主要指結(jié)構(gòu)、疲勞、振動(dòng)和碰撞分析。分析內(nèi)容包含整車、子系統(tǒng)，零部件的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度和疲勞分析，車內(nèi)的噪聲分析，以及受到發(fā)動(dòng)機(jī)、路面等激勵(lì)時(shí)的頻率響應(yīng)分析。碰撞分析中不僅對高速正面沖撞進(jìn)行模擬分析，還對來自汽車側(cè)面、后面、頂部的沖撞現(xiàn)象以及強(qiáng)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(jìn)行分析。

汽車制造CAE技術(shù)與設(shè)計(jì)CAE技術(shù)是一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，相互促進(jìn)。制造CAE是對汽車制造過程的金屬流動(dòng)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(yù)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(dá)到預(yù)防實(shí)機(jī)制作時(shí)缺陷發(fā)生的目的。

3 CAE技術(shù)應(yīng)用中的問題和對策

CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的地位已經(jīng)得到了認(rèn)可，但是在CAE的應(yīng)用深度和廣度上還存在很多問題。各個(gè)行業(yè)間的差距比較大，發(fā)展中國家與發(fā)達(dá)國家的差距也很大。

3.1 存在的問題點(diǎn)

（1）國內(nèi)CAE技術(shù)應(yīng)用相對國外發(fā)達(dá)國家的CAE技術(shù)應(yīng)用較為落后。國內(nèi)的一些企業(yè)盡管引進(jìn)了CAE系統(tǒng)，但是并沒有充分發(fā)揮CAE的作用，對CAE技術(shù)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(shù)去有效地解決問題。

（2）國內(nèi)很多企業(yè)對CAE技術(shù)重視度不夠，CAE人員流失嚴(yán)重。由于CAD技術(shù)早于CAE技術(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)，輕分析的現(xiàn)象，認(rèn)為設(shè)計(jì)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(yán)重，很難在CAE領(lǐng)域進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，但是在CAE領(lǐng)域并沒有形成統(tǒng)一的仿真規(guī)范。這樣會(huì)導(dǎo)致不同的企業(yè)之間，不同的分析人員之間，得到的仿真結(jié)果不同，缺乏可比性，也不利于CAE技術(shù)領(lǐng)域的整體提高。

3.2 改善對策

（1）提高對CAE技術(shù)的理解和認(rèn)識(shí)。企業(yè)要定期派技術(shù)主管參加技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟、CAE軟件發(fā)布會(huì)等相關(guān)的技術(shù)交流會(huì)，及時(shí)捕捉CAE技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)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(shè)計(jì)缺陷提早表現(xiàn)出來，從而使設(shè)計(jì)者對可能發(fā)生的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免缺陷發(fā)生，減少實(shí)機(jī)測試的時(shí)間和測試成本。并不是說有了CAE技術(shù)就不用實(shí)機(jī)測試了，這也是CAE仿真的局限性。CAE技術(shù)是減少試驗(yàn)的次數(shù)，而不是完全的代替試驗(yàn)，試驗(yàn)是為了驗(yàn)證CAE的準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)的建設(shè)。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)要認(rèn)識(shí)到CAE的作用和難度，特別是后者，CAE的應(yīng)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(shí)，又要有一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的CAE工程師。CAE技術(shù)需要長期的工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，只有企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)充分認(rèn)視到CAE的作用，對CAE技術(shù)人員給與充分重視和關(guān)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(shù)水平。

（3）要逐漸建立健全CAE業(yè)內(nèi)的規(guī)范及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，CAE的可靠性在企業(yè)中是通過實(shí)機(jī)測試來檢證的，因?yàn)槿鄙傩袠I(yè)內(nèi)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在很多企業(yè)中，CAE的分析結(jié)果是不能被設(shè)計(jì)人員直接引用的。因此，如何保證CAE的仿真精度，是CAE領(lǐng)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(qiáng)行業(yè)內(nèi)的溝通，建立CAE業(yè)內(nèi)的規(guī)范及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。

ANSYS公司在中國用戶大會(huì)上提出，CAE的發(fā)展過程是：采納級(jí)→重復(fù)級(jí)→預(yù)測級(jí)→驅(qū)動(dòng)級(jí)→引領(lǐng)級(jí)。首先是企業(yè)能夠采納CAE技術(shù)，接下來是CAE分析的重復(fù)操作，結(jié)果作為設(shè)計(jì)者優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，從而利用CAE技術(shù)提前模擬實(shí)機(jī)測試，預(yù)測試驗(yàn)中的不良點(diǎn)，提前應(yīng)對，然后發(fā)揮驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的功能，最終引領(lǐng)設(shè)計(jì)。每個(gè)階段的過渡需要1～2年，不同的企業(yè)需要的時(shí)間也不盡相同。

4 CAE技術(shù)的發(fā)展方向

綜合CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用的問題點(diǎn)和對策，結(jié)合筆者多年企業(yè)的CAE工作經(jīng)歷和相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查研究，認(rèn)為CAE技術(shù)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行思考和探索。

（1）CAE軟件測試體系的構(gòu)建。隨著CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用廣度和深度的提高，企業(yè)對CAE的仿真結(jié)果和可信度要求越來越高。在利用CAE軟件進(jìn)行工作狀態(tài)仿真時(shí)，對產(chǎn)品模型的簡化和近似是必須的，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)機(jī)情況產(chǎn)生偏差。在近似和簡化不可避免的情況下，如何評(píng)估物理模型的可靠性和數(shù)值計(jì)算程序的準(zhǔn)確性，是一項(xiàng)非常重要的工作。目前，國內(nèi)外在CAE技術(shù)研究領(lǐng)域中應(yīng)用最多的手段是驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù)（V&V）[8]，也就是軟件測試技術(shù)。美國和日本已經(jīng)將V&V技術(shù)引入CAE領(lǐng)域，國內(nèi)很多機(jī)構(gòu)也對V&V技術(shù)在CAE領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但是發(fā)表的論文并不多。如何構(gòu)建基準(zhǔn)的測試模型、進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施驗(yàn)證試驗(yàn)是CAE技術(shù)進(jìn)行深入研究必須要考慮的重要問題。

（2）CAE分析標(biāo)準(zhǔn)的建立。國際上，AIAA組織在1998年發(fā)布了計(jì)算流體力學(xué)模型中的驗(yàn)證與確認(rèn)指南，IEEE組織的成員也報(bào)道了他們在計(jì)算電磁學(xué)建模和代碼確認(rèn)方面的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。國內(nèi)的軟件測試，相對發(fā)達(dá)國家還有一定距離，但是，對V&V技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)建立也展開了研究和探索。

CAE標(biāo)準(zhǔn)的建立途徑有兩個(gè)：一是自己通過試驗(yàn)和仿真相互校核，建立相關(guān)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；二是利用相關(guān)行業(yè)已有的經(jīng)驗(yàn)來輔助自己建立CAE分析標(biāo)準(zhǔn)。CAE標(biāo)準(zhǔn)的建立需要大量的工作，并且要結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，但是這個(gè)過程是CAE標(biāo)準(zhǔn)建立的必由之路。CAE的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如圖3所示。

其中分析類型是指結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流場分析等，同時(shí)明確是否需要做熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，結(jié)構(gòu)分析是靜力分析還是動(dòng)力分析，是靜態(tài)分析還是動(dòng)態(tài)分析等問題。分析標(biāo)準(zhǔn)的建立中，模型的簡化和分析結(jié)果的評(píng)價(jià)定義是非常艱難的，需要幾代CAE人的經(jīng)驗(yàn)積累。

（3）CAE工作團(tuán)隊(duì)管理模式的規(guī)范化。CAE技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新興技術(shù)，CAE工作者的工作內(nèi)容已經(jīng)由最初的軟件分析拓展到CAE標(biāo)準(zhǔn)的建立及CAE分析可靠性的確認(rèn)，因此，CAE團(tuán)隊(duì)的組建和職責(zé)明確已經(jīng)勢在必行。與設(shè)計(jì)部門的職責(zé)相似，CAE部門要設(shè)定技術(shù)總監(jiān)、技術(shù)主管和技術(shù)員3種職能。技術(shù)主管對技術(shù)員的工作負(fù)責(zé)，技術(shù)總監(jiān)負(fù)責(zé)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(jìn)，CAE人員的成長方向才能有跡可循。

5 結(jié)語

該文詳細(xì)說明了CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)流程中的應(yīng)用地位，概括說明了CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用種類和狀況，總結(jié)分析了CAE技術(shù)應(yīng)用中的問題點(diǎn)和原因，提出了改善對策，并根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)研究，指出了CAE技術(shù)的發(fā)展方向。從該文的介紹可以看出，CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的地位已經(jīng)得到了認(rèn)可，應(yīng)用CAE技術(shù)可以減少實(shí)機(jī)測試的次數(shù)和時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本的事實(shí)已經(jīng)得到了企業(yè)的驗(yàn)證，然而，隨著CAE技術(shù)的應(yīng)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(shù)領(lǐng)域中的重要研究方向。該文的研究探索，對機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的CAE人員有一定的啟發(fā)作用，對企業(yè)的CAE技術(shù)方向有一定的引導(dǎo)作用，對于高校機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)培養(yǎng)方案的制定有一定的參考價(jià)值。

CAE技術(shù)是一門新興的多學(xué)科交叉技術(shù)，如何拉近中國與發(fā)達(dá)國家的CAE技術(shù)應(yīng)用水平，充分運(yùn)用CAE技術(shù)為中國制造做貢獻(xiàn)，對于機(jī)械工作者任重而道遠(yuǎn)。

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