基于CAE分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程

2013-07-17  by:廣州Abaqus培訓(xùn)中心  來源:仿真在線

一、 前言

在現(xiàn)實(shí)生活中,“現(xiàn)代設(shè)計(jì)”是一個(gè)被經(jīng)常提及的話題,其內(nèi)涵非常寬泛,涉及設(shè)計(jì)學(xué)原理、設(shè)計(jì)方法學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(CAI)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、優(yōu)化和可靠性設(shè)計(jì)、工業(yè)藝術(shù)設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、反求工程及相似設(shè)計(jì)等領(lǐng)域,是與直覺設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、半經(jīng)驗(yàn)半理論設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相對應(yīng)的一個(gè)概念。不難看出,計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具,而其中的CAE技術(shù)又成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程的核心,因?yàn)橹挥蠧AE才具有以下功能。

(1) 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型,借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算,確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性;
(2) 與優(yōu)化技術(shù)配合,找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案 ;
(3) CAE所起到的虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性,甚至產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與環(huán)境等之間的相容性;
(4) 知識的獲取是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,只有CAE才能真正提高設(shè)計(jì)者的知識技能,而其他手段通常都只能起到使設(shè)計(jì)者工作更順手、能更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖等作用,較少增加關(guān)鍵知識。

歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展,CAE技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到設(shè)計(jì)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文以全球著名的CAE軟件ANSYS為例來闡述CAE分析在現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程中的中心作用。

二、 CAE融入設(shè)計(jì)全過程

眾所周知,CAE分析利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力所起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過程,極大地縮短了設(shè)計(jì)周期、減少了成本。但是,目前眾多的設(shè)計(jì)單位將“CAD”與“CAE分析”截然分開,由不同的人或部門來完成設(shè)計(jì)與分析工作,存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評判等過程,造成了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的不暢通。事實(shí)上,在理想的現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中,CAE應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段和環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析一體化,如圖1所示。

很顯然,要達(dá)到這樣的一體化目標(biāo),分析工具需要適應(yīng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié),它必須具有以下特征。
(1) 與主要設(shè)計(jì)工具CAD軟件具有良好的親和性(CAD模型的雙向參數(shù)相關(guān));
(2) 界面簡潔、操作流程簡單、復(fù)雜技術(shù)(網(wǎng)格劃分、求解等)能智能化處理;
(3) 良好的計(jì)算精度和效率;
(4) 具有強(qiáng)大的分析能力以支持后期分析中經(jīng)常涉及的復(fù)雜問題(非線性、多物理場等);
(5) 各階段的分析數(shù)據(jù)能流暢地傳遞。

針對上述前期CAE應(yīng)用的要求,ANSYS在其經(jīng)歷數(shù)十年發(fā)展的CAE解算技術(shù)的基礎(chǔ)上,專門開發(fā)了一套稱為ANSYS Workbench Environment(AWE)的CAE應(yīng)用環(huán)境,配上其新一代的概念建模工具DesignModeler、革命性的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具DesignXplorer VT等手段,為CAE融入整個(gè)設(shè)計(jì)過程尤其是前期設(shè)計(jì)過程提供了技術(shù)上的完美保障。

“CAE融入設(shè)計(jì)全過程”的觀點(diǎn)已經(jīng)得到世界上許多著名公司的廣泛認(rèn)可。作為全球著名的工具制造商,Caterpillar公司的切身感受是:“在現(xiàn)代競爭環(huán)境下,設(shè)計(jì)流程非常需要一種‘自動的\’工程分析工具在設(shè)計(jì)早期階段提供有用信息。在Caterpillar,設(shè)計(jì)工程師將其工作經(jīng)驗(yàn)與AWE系列軟件相結(jié)合,以準(zhǔn)確了解設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、及時(shí)把握設(shè)計(jì)方向,從而省時(shí)省錢,在競爭中取勝?！?

值得指出的是,設(shè)計(jì)過程實(shí)際上就是尋找最佳設(shè)計(jì)方案的過程,因此CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)所起的作用是極其重要的。前面提到的DesignXplorer VT就是一個(gè)非常優(yōu)秀的CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)工具,其具有以下特點(diǎn)。

(1) 在有限元分析矩陣上利用高階級數(shù)展開的方法求解目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的復(fù)雜關(guān)系;
(2) “一次有限元計(jì)算”即可完成整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程(如圖2所示);
(3) 與CAD軟件聯(lián)合進(jìn)行形狀參數(shù)優(yōu)化。

與常規(guī)的CAE優(yōu)化技術(shù)需要數(shù)十、上百次大規(guī)模有限元計(jì)算相比,這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計(jì)效率。

三、 CAE工作的高級發(fā)展

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)力求高效率、高質(zhì)量、低成本,這對CAE分析工具也提出了更高的要求 :有足夠的技術(shù)手段來盡量真實(shí)地模擬產(chǎn)品的工作行為。“真實(shí)模擬”涉及到許多高難度問題:高度非線性、多物理場耦合以及產(chǎn)品系統(tǒng)級復(fù)雜裝配體模型等等。事實(shí)上,CAE分析包括各種各樣的人工產(chǎn)品在內(nèi)的自然界的所有分析對象,“非線性”和承受“多物理場”影響是其本質(zhì),“線性”和“單一物理場”僅僅是我們對特定分析對象在特定條件下的近似合理化假設(shè)。因此,“分析面廣、分析程度深、分析對象復(fù)雜”是現(xiàn)代CAE應(yīng)用的發(fā)展方向,如圖3所示。圖4展示的是現(xiàn)代高級CAE軟件的組合分析能力,只有在這樣的分析手段配置下,才能真正解決“真實(shí)模擬”的問題。

高級CAE分析對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)貢獻(xiàn)是其他工作所不能替代的。比如,Pirod公司是專門生產(chǎn)無線通訊基站鋼結(jié)構(gòu)塔體的制造商,破壞基站塔體的主要因素是無規(guī)律的高速風(fēng)暴。利用ANSYS的FSI流固直接耦合分析技術(shù),可準(zhǔn)確計(jì)算塔體結(jié)構(gòu)在極端風(fēng)載荷作用下的力學(xué)特性。圖5顯示的即是在最不利的方向上,時(shí)速100英里的來風(fēng)引起的塔體構(gòu)件周圍風(fēng)速分布及構(gòu)件上的風(fēng)壓分布。在該分析的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下,塔體使用的原材料和重量下降了將近50%,高級CAE分析的應(yīng)用效果由此可見一斑。

四、 結(jié)論

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程中,CAE是創(chuàng)造價(jià)值的中心環(huán)節(jié)。要使CAE的作用達(dá)到最大化,需將其融入到設(shè)計(jì)全流程中,并對復(fù)雜設(shè)計(jì)對象進(jìn)行“真實(shí)模擬”,象ANSYS這樣的現(xiàn)代CAE軟件已使這樣的設(shè)計(jì)流程變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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