基于CAE分析的现代设计流程

作者：ANSYS公司成都办事处 雷先华

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 一、 前言 在现实生活中，“现代设计”是一个被经常提及的话题，其内涵非常宽泛，涉及设计学原理、设计方法学、计算机辅助创新（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、优化和可靠性设计、工业艺术设计、价值工程、反求工程及相似设计等领域，是与直觉设计、经验设计、半经验半理论设计等传统设计方法相对应的一个概念。不难看出，计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具，而其中的CAE技术又成为现代设计流程的核心，因为只有CAE才具有以下功能。 (1) 应用数学模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性； (2) 与优化技术配合，找出产品设计最佳方案 ； (3) CAE所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性； (4) 知识的获取是现代设计的关键，只有CAE才能真正提高设计者的知识技能，而其他手段通常都只能起到使设计者工作更顺手、能更好地表达设计意图等作用，较少增加关键知识。 历经数十年的发展，CAE技术的应用已经深入到设计流程的各个环节。本文以全球著名的CAE软件ANSYS为例来阐述CAE分析在现代设计流程中的中心作用。 二、 CAE融入设计全过程 众所周知，CAE分析利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，极大地缩短了设计周期、减少了成本。但是，目前众多的设计单位将“CAD”与“CAE分析”截然分开，由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。事实上，在理想的现代设计过程中，CAE应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化，如图1所示。 很显然，要达到这样的一体化目标，分析工具需要适应设计的各个环节，它必须具有以下特征。 (1) 与主要设计工具CAD软件具有良好的亲和性（CAD模型的双向参数相关）； (2) 界面简洁、操作流程简单、复杂技术（网格划分、求解等）能智能化处理； (3) 良好的计算精度和效率； (4) 具有强大的分析能力以支持后期分析中经常涉及的复杂问题（非线性、多物理场等）； (5) 各阶段的分析数据能流畅地传递。 针对上述前期CAE应用的要求，ANSYS在其经历数十年发展的CAE解算技术的基础上，专门开发了一套称为ANSYS Workbench Environment（AWE）的CAE应用环境，配上其新一代的概念建模工具DesignModeler、革命性的优化设计工具DesignXplorer VT等手段，为CAE融入整个设计过程尤其是前期设计过程提供了技术上的完美保障。 “CAE融入设计全过程”的观点已经得到世界上许多著名公司的广泛认可。作为全球著名的工具制造商，Caterpillar公司的切身感受是：“在现代竞争环境下，设计流程非常需要一种‘自动的’工程分析工具在设计早期阶段提供有用信息。在Caterpillar，设计工程师将其工作经验与AWE系列软件相结合，以准确了解设计细节、及时把握设计方向，从而省时省钱，在竞争中取胜。” 值得指出的是，设计过程实际上就是寻找最佳设计方案的过程，因此CAE优化设计技术所起的作用是极其重要的。前面提到的DesignXplorer VT就是一个非常优秀的CAE优化设计工具，其具有以下特点。 (1) 在有限元分析矩阵上利用高阶级数展开的方法求解目标函数与设计变量之间的复杂关系； (2) “一次有限元计算”即可完成整个优化设计过程（如图2所示）； (3) 与CAD软件联合进行形状参数优化。 与常规的CAE优化技术需要数十、上百次大规模有限元计算相比，这种优化技术可大大提高设计效率。 三、 CAE工作的高级发展 现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对CAE分析工具也提出了更高的要求 ：有足够的技术手段来尽量真实地模拟产品的工作行为。“真实模拟”涉及到许多高难度问题：高度非线性、多物理场耦合以及产品系统级复杂装配体模型等等。事实上，CAE分析包括各种各样的人工产品在内的自然界的所有分析对象，“非线性”和承受“多物理场”影响是其本质，“线性”和“单一物理场”仅仅是我们对特定分析对象在特定条件下的近似合理化假设。因此，“分析面广、分析程度深、分析对象复杂”是现代CAE应用的发展方向，如图3所示。图4展示的是现代高级CAE软件的组合分析能力，只有在这样的分析手段配置下，才能真正解决“真实模拟”的问题。 高级CAE分析对产品设计的技术贡献是其他工作所不能替代的。比如，Pirod公司是专门生产无线通讯基站钢结构塔体的制造商，破坏基站塔体的主要因素是无规律的高速风暴。利用ANSYS的FSI流固直接耦合分析技术，可准确计算塔体结构在极端风载荷作用下的力学特性。图5显示的即是在最不利的方向上，时速100英里的来风引起的塔体构件周围风速分布及构件上的风压分布。在该分析的基础上，通过优化结构设计，在满足强度、刚度要求的前提下，塔体使用的原材料和重量下降了将近50％，高级CAE分析的应用效果由此可见一斑。 四、 结论 在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。要使CAE的作用达到最大化，需将其融入到设计全流程中，并对复杂设计对象进行“真实模拟”，象ANSYS这样的现代CAE软件已使这样的设计流程变为现实。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/19/2004)