[行業(yè)]CAE軟件在制造業(yè)的應(yīng)用分析

2016-11-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

(計(jì)算機(jī)輔助工程分析)主要是以有限元法、有限差分;作為20世紀(jì)中期興起的技術(shù)手段,有限元技術(shù)隨著計(jì);隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)原有的有限元應(yīng)用體系正;近幾年來,數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念逐漸深入人心

引言

(計(jì)算機(jī)輔助工程分析)主要是以有限元法、有限差分法、有限體積以及無網(wǎng)格法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)發(fā)展起來的一個軟件行業(yè)。由于目前在國內(nèi)有限元法應(yīng)用最為廣泛,故此在這里主要介紹有限元類軟件在國內(nèi)的應(yīng)用,其他一些軟件不做過多的闡述。

作為20世紀(jì)中期興起的技術(shù)手段,有限元技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?；谟邢拊夹g(shù),已經(jīng)在國際上形成了數(shù)百億規(guī)模的市場,而主要的有限元廠商則包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等,其他一些基于有限元算法的專業(yè)分析軟件則不勝枚舉。

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)原有的有限元應(yīng)用體系正在發(fā)生著深刻的變化。早在80年代初期,國內(nèi)就已經(jīng)形成了一批以高校和研究院所為重點(diǎn)的有限元技術(shù)研究、開發(fā)、應(yīng)用體系。早期北大袁明武老師應(yīng)用的SAP,在當(dāng)時國內(nèi)引起了廣泛的影響。在此背景下,國內(nèi)的學(xué)者相繼開發(fā)了多套有限元程序,例如大連理工的JIFEX、鄭州機(jī)械研究所的紫瑞、北京農(nóng)機(jī)學(xué)院的有限元分析系統(tǒng),以及計(jì)算所梁國平老師的FEPG。而這些軟件由于各自的一些原因,雖然在國內(nèi)產(chǎn)生了一定的影響,但都沒能在企業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用。隨著90年代國外大型商業(yè)軟件進(jìn)入國門,掀起了第二次有限元應(yīng)用的浪潮。由于國內(nèi)高校在有限元技術(shù)方面具備一定的研發(fā)和應(yīng)用基礎(chǔ),因而成為了應(yīng)用初期階段的主力軍。

近幾年來,數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念逐漸深入人心,國內(nèi)高校技術(shù)研究和應(yīng)用水平不斷提高,有限元技術(shù)已經(jīng)為廣大企業(yè)所認(rèn)可,第三次有限元技術(shù)的應(yīng)用浪潮正在形成。值得注意的是,有限元技術(shù)不再僅僅停留在高校中,而是更多的走向了企業(yè)。同時,更多使用方便、操作簡單的專用分析軟件也得到了廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用狀況

目前,CAE軟件在國內(nèi)主要應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、土木工程、石油等行業(yè),在汽車行業(yè)的應(yīng)用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件和行業(yè)專用軟件。汽車行業(yè)在國外是有限元軟件的主要應(yīng)用行業(yè),其所涉及的專業(yè)領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,并且應(yīng)用歷史長、應(yīng)用成熟度高。

目前,國內(nèi)常見的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran,這些軟件在美國的汽車廠商中都有著廣泛的應(yīng)用。由于有限元技術(shù)的特點(diǎn),使得前處理成為了一個相對獨(dú)立,而又十分重要的部分。一些大型企業(yè)都采用了適應(yīng)自己需求的前后處理軟件。這些前后處理軟件都具有良好的接口,可與眾多的有限元求解軟件相結(jié)合,以便用戶更快、更方便地解算問題。

求解軟件可以說是琳瑯滿目,通常的求解軟件包括:ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。這些軟件都有著各自的特點(diǎn),在行業(yè)內(nèi),一般將其分為線性分析軟件和非線性軟件,例如ANSYS、ALGOR都在線性分析方面具有自己的優(yōu)勢,而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點(diǎn),其中ABAQUS被認(rèn)為是最優(yōu)秀的非線性求解軟件。

近年來,分析軟件正朝著多物理場的方向發(fā)展。大家可以通過業(yè)內(nèi)一些公司的舉動感受到這一點(diǎn),例如,ANSYS公司收購CFX流體軟件,并加強(qiáng)與EMSS公司的合作,不斷加強(qiáng)其多物理場耦合的功能。在這里需要提到的是,由于歷史原因,ALGOR繼承了SAP的模塊化思想,在多物理場分析方面也有很好的應(yīng)用;同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。由于解算多物理場問題更多是從物理方程出發(fā),因此另外還有一些軟件在這方面有著良好的應(yīng)用,比如MathWorks公司在數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB基礎(chǔ)上發(fā)展起來的FEMLAB,又如國內(nèi)飛箭公司針對微分方程的FEPG系統(tǒng)。

此外,專用有限元軟件受其應(yīng)用領(lǐng)域的限制,只能在各自的行業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如,MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件,可進(jìn)行各種金屬材料澆鑄、流動性、固化、壓力、應(yīng)力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據(jù)計(jì)算結(jié)果更改設(shè)計(jì),調(diào)整帽口的位置和數(shù)量,進(jìn)而提高鑄造質(zhì)量。又如,法國ESI公司的ProCAST,其與MAGMA是競爭關(guān)系,軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領(lǐng)域應(yīng)用比較多的Deform系統(tǒng),也得到了國內(nèi)很多企業(yè)的認(rèn)可。

在板材成型行業(yè)里,有AUTOFORM系列軟件,該軟件單元架構(gòu)基于膜單元形式,因此其運(yùn)算速度在同行業(yè)內(nèi)相對較快。MSC/DYTRAN,其特有的材料流動性分析可直觀地預(yù)測出沖壓件厚度及應(yīng)力分布、開裂和皺褶的形成等。另外,來自ETA公司的DYNAFORM可以預(yù)測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈,評估板料的成形性能,從而為板料成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。由于這一類分析工作與模具設(shè)計(jì)有著非常大的關(guān)聯(lián),因此以上這些軟件都注重與CAD軟件的接口,基本都與流行的三維設(shè)計(jì)軟件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有著良好的接口,軟件的使用操作也都比較方便。

另外,在汽車行業(yè)應(yīng)用中,經(jīng)常要對整車進(jìn)行機(jī)械動力學(xué)仿真,在這一領(lǐng)域中,國內(nèi)常見的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動態(tài)仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時選用,以準(zhǔn)確地建立輪胎的動力學(xué)模型。ADAMS中的CAR模塊專為汽車動力學(xué)仿真而設(shè)計(jì),使用十分方便。另外在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的還有美國ETA公司的VPG,VPG(Virtual Proving Ground)虛擬試驗(yàn)場是ETA公司長期總結(jié)汽車分析工程經(jīng)驗(yàn),在LD-DANA平臺上開發(fā)的,是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的專門應(yīng)用于汽車工程的軟件。VPG主要被應(yīng)用于當(dāng)前汽車產(chǎn)品開發(fā)中的重點(diǎn)——整車系統(tǒng)疲勞、整車系統(tǒng)動力學(xué)、NVH和整車碰撞安全及乘員保護(hù)等熱門問題。另外市場上還有一些專業(yè)軟件,例如,LMS公司的噪音分析軟件SYSNOISE,MSC公司的疲勞分析軟件MSC/Fatigue,nCode公司的Fatigue,奧地利MAGMA公司的熱疲勞分析軟件FEMFT等。

應(yīng)用展望

下面筆者將按照一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程,在不同的設(shè)計(jì)階段,將上文提到的軟件對號入座,幫助讀者取得比較感性的認(rèn)識。

1.概念設(shè)計(jì)階段

這一階段主要有三個方面的內(nèi)容。

1)市場調(diào)研;

2)技術(shù)設(shè)計(jì),包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證;

3)評估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施。

這一階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演,大企業(yè)可以利用一些大型通用非線性CAE軟件來幫助制定方案,比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企業(yè)可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等軟件完成這部分工作。

2.詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

在概念設(shè)計(jì)完成以后,緊接著就是詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一階段要繪制各種零部件圖樣,確定彼此間的裝配關(guān)系,評估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動力特性和生產(chǎn)性等)。

該階段需要操作簡單、使用方便的CAE軟件,以便用最少的時間完成評估工作。這類軟件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等,這些軟件有著良好的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)格自動生成功能,使用方便、快捷,對使用者的要求較低。在該階段的尾期,也可以用一些非線性求解器做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3.樣機(jī)制造階段

根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)樣機(jī)的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段,所以較少使用CAE軟件,但可以用一些專業(yè)軟件,如鑄造分析軟件、板料成形軟件來指導(dǎo)生產(chǎn)。

4.產(chǎn)品測試評估階段

這一階段主要是利用各種測試和評估手段對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評價,從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。在該階段,主要使用一些非線性分析功能強(qiáng)的軟件,以及一些多場耦合軟件,如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此階段還可以使用一些機(jī)械動力學(xué)仿真軟件、疲勞分析軟件,來最終評估整裝后的產(chǎn)品性能。

應(yīng)用建議

綜上所述,國內(nèi)市場上的CAE軟件非常豐富,企業(yè)采購軟件需要根據(jù)自己的實(shí)際情況。在發(fā)展的初期階段,由于各方面條件還不太完善,資金經(jīng)費(fèi)相對較為緊張,因此不可能面面俱到,一次引進(jìn)所有的應(yīng)用系統(tǒng),應(yīng)有計(jì)劃、有目標(biāo)、分階段地引進(jìn)。

軟件引進(jìn)一定要根據(jù)具體情況量力而行,減少盲目性。在產(chǎn)品開發(fā)初期階段,采購軟件實(shí)際上是為了解決生產(chǎn)問題,并為緊接著的設(shè)計(jì)改型作前期準(zhǔn)備,該階段可以找一些項(xiàng)目咨詢公司合作開發(fā),以減少前期投入。

先進(jìn)的分析設(shè)計(jì)軟件只是開發(fā)設(shè)計(jì)的一個必要手段,最為關(guān)鍵的因素還是人。凡是一流的企業(yè)無不擁有一只具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、學(xué)科齊全、富有挑戰(zhàn)和創(chuàng)造意識的人才隊(duì)伍。軟件好買,人才難尋。因此在引進(jìn)技術(shù)的同時,就要注重人才的培養(yǎng),一方面可通過消化吸收,在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中鍛煉隊(duì)伍,另一方面在國內(nèi)外廣招人才,既可將有經(jīng)驗(yàn)的人才引進(jìn)來,也可將企業(yè)的人才送出去,學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)技術(shù),在用人政策上加大傾斜力度。

總之,引進(jìn)現(xiàn)成的技術(shù)也好,合資合作也好,歸根結(jié)底是要借鑒別人先進(jìn)的技術(shù)成果,盡早轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱臇|西。否則只能跟在別人后面跑,永遠(yuǎn)成不了大器,更談不上發(fā)展自己的民族產(chǎn)業(yè)。

作者:ICAD

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