基于CAE系统的智能设计优化方案

1.概 述

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）于20世纪60年代初在工程中开始得到应用，是实现重大工程和工业产品计算分析、模拟仿真与优化设计的工程技术。CAE软件是计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。在产品开发中，CAE技术的应用通常贯穿于产品整个开发过程。

2.CAE系统

CAE系统不像CAD系统那样比较单一，其所涉及的系统和方法很多，主要有：

（1）有限元法（固体力学应用）。用计算机系统把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的小块（称网格单元），然后逐个加以分析，计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。

（2）模态分析法（固体动力学应用）。主要用于分析冲击和变负荷的动态结构，在振动分析的基础上可动画地显示其结构。对于一台由许多零件装配而成的机器，可以用有限元法或模态分析法求出每个零件的变形或振动量，然后根据装配的连接条件求得整体结构的变形和振动。

（3）运动仿真。CAE系统可以对运动机构进行动态分析，并可画出机构运动的动态过程，以便检查机构的运动轨迹，校核运动件的干涉情况，还可计算出各构件的运动速度、加速度和受力的大小，可以仿真运动组件的加速力和重力的反作用力。同时，还可以综合考虑诸如弹簧弹力、电动机驱动力、摩擦力和重力等动力的影响，相应调整产品性能。

（4）方案优选。CAE系统采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为精细、全面和合理。不同的产品，往往有不同的方案优选系统。

（5）可靠性分析。通过计算机进行可靠性分析，使工程师能够预测和改善其设计方案的疲劳性能，减少可靠性试验次数。

（6）制造过程仿真。对金属切削加工、铸造、焊接、成型、试验、装配和物料流动等各种工艺过程进行仿真，除了对产品加工质量进行预测之外，还可以深入研究这些工艺过程的机理和规律，了解产品设计的合理性、可加工性和加工方法，选用机床和工艺参数。

（7）产品装配仿真。机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，通常要到产品总装配时才能发现，从而导致零件的报废和工期的延误，并造成巨大的经济损失和信誉损失。采用产品装配仿真技术可以在产品设计阶段就进行可装配性验证，确保设计的正确性。

（8）虚拟样机与产品工作性能评测。首先进行产品的实体建模，然后将该模型置于虚拟环境中进行仿真和分析。这样，可以在设计阶段就对设计的产品进行装配、加工和运行过程进行仿真，解决许多不可预见的问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。(www.xing528.com)

3.案例：CAE在汽车研发中的应用

在汽车研发过程中，从结构的刚度分析、强度分析、疲劳寿命分析，到整车动力学分析、被动安全与乘员保护分析，CAE分析几乎涵盖了汽车性能的所有方面。例如，丰田开发新型花冠牌轿车时运用了CAE技术，无须制造试验车，只需把众多工序在计算机上进行演示即可，开发时间缩短18个月。又如，万向集团通过引进Pro/E等三维设计、ANSYS有限元分析软件和ADMAS汽车悬架动态模拟软件等进行深层次应用，由单个产品性能测试转向系统匹配动态模拟，进行运动、受力的模拟分析，表达零件的真实工作情况，不但优化了设计，还能够发现静态设计过程中无法发现的问题。

4.基于CAE系统的智能设计的发展方向

（1）核心功能深入化，使用环境简单化。在仿真技术向专业化方向深入发展的同时，仿真环境却逐步靠近使用者。由于仿真环境的方便易用，软件使用者不需要掌握深奥的核心技术和背景知识，只需较少的操作即可准确完成仿真设计工作。

过去，在使用CAE软件时需要自己进行实体建模，从而带来诸多不便。现在，可用CAD软件完成实体建模，CAE软件直接使用CAD模型即可。CAE和CAD之间可以双向参数互动，任何一方修改了模型，另外一方只需刷新即可得到新的模型。

（2）多学科联合仿真和多物理场耦合。多学科及多物理场耦合技术是保证仿真结果逼近真实世界的重要技术，如火箭、飞机、船舶等复杂工业产品的设计对此有强烈的需求。

达索系统的产品Simulia可以建立一个模拟仿真软件的生态系统。随着各个领域精英不断地加入这个开放式的产品开发平台，可以开展多学科联合仿真和多物理场耦合研究。

（3）产品高性能仿真计算。非线性问题的增多使得CAE分析中的解题规模相对于线性问题呈几何级数增长。产品仿真中的物理场仿真也对高性能计算技术提出了迫切需求。CAE系统已经开始采用不同机型及操作系统的混合网络、局域网连接的工作站/PC机群、计算网格上的并行计算和云计算，来解决上述问题。

（4）统一有限元（FEA）。尤其是在汽车、航空航天领域，统一有限元的概念使原来功能分散的各类有限元分析软件被统一的软件解决方案所取代。这有助于减轻仿真测试工程师的工作量，提高研发质量和效率。

（5）CAE与计算机辅助测试（CAT）技术的结合。CAE与CAT技术相结合，借助虚拟原型技术，形成一种广义的CAE技术，又称为产品评估。日本三菱公司利用这一技术将试验与仿真的数据结合起来，把不同开发小组的试验模型及载荷与虚拟模型相结合，从而预测车辆的结构及其他功能品质性能。