1、（發展戰略）綜述CAE技 術的發展和應用20XX年XX月多年的企業咨詢豉問經驗.經過實戰驗證可以落地機行的卓越管理方案，值得您下載擁有綜述CAE技術的發展和應用引言CAE（計算機輔助工程）的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型且進行計算機仿真分析。壹方面，CAE技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數值模擬得到滿意的解答；另壹方面，計算機輔助分析使大量繁雜的T程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省了大量的時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確。于產品的設計、分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用，同時cAE這壹新興的數值模擬分析技術于國 外得到了

2、迅猛發展，技術的發展又推動了許多關聯的基礎學科和應用科學的進 步。1概論CAE技術1 . 1CAE技術簡述CAE即計算機輔助工程是用計算機輔助求解復雜丁程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的壹種近似數值分析方法。隨著計算機技術的普及和不斷提高，CAE系統的功能和計算精度均有很大提高，各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生，且已成 為結構分析和結構優化的重要工具，同時也是計算機輔助4c系統（CAD, CAE,CAPP/CAM）的重要環節。CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）和 CAPP（計算機輔

3、助工藝）等均屬于計算機輔助工程（CAE）,而計算流體動力學CFD 和有限元分析（FEA）等則是支撐CAE的分析工具和手段。采用 CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型。完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前 處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移 圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗 圖，以及隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力等分布的動態 顯示圖。我們稱這壹過程為CAE的后處理。1 . 2CAE技術發展歷程CAE的理論基礎有限元法：20世紀40年代起源于土木工程和航空工程中的彈性和結構分析問題的研究。

4、它的發展能夠追溯到AlexanderHrennikoff(1941)和Richardcourant(1942) 的工作，他們的方法具有共同的本質特征：利用網格 離散化將壹個連續區域轉化為壹族離散的子區域，通常叫做元。HrenfIikofr的丁作離散用類似于格子的網格離散區域；Courant的方法將區域分解為有限個三角 形的子區域，用于求解來源于圓柱體轉矩問題的二階橢圓偏。Courant的貢獻推動了有限元的發展。1963壹1964年Besseling等確認了有限元法是處理連續介 質問題的壹種普遍方法。而后，隨著計算機技術的廣泛應用和發展，有限元技術 依靠數值計算方法，才迅速發展起來。近 10年來

5、。有限元法的應用范圍有了大 幅度的提高，已由簡單的彈性力學的平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜 力問題擴展到穩定性問題、動力學問題和波動問題；分析對象從彈性材料擴展到 塑性、粘塑性和復合材料，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等連續 介質力學領域。將有限元分析技術逐漸由傳統的分析和校核擴展到優化設計，且和計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)密切結合，形成了當下CAE技 術框架。CAE軟件的發展：早期的CAE軟件只是計算處理特殊單壹問題的簡單 程序。上個世紀60年代開始出現大型通用 CAE軟件。于此期間世界三大 CAE 軟件XX公司：MSC、SDEC和ANSYS先后成立。

6、1963年MscXX公司開發了sADsAM結構分析軟件。于1965年Msc參和美國國家航空及宇航局(NASA)發 起的計算結構分析方法研究，SADsAM 也正式更名為Msc/NASTRAN。1967 年sDRCXX公司成立，于1971年推出商用有限元分析軟件 supertab(I DEAs)。 1970年sAsIXX公司成立，后來重組后改為稱 ANSYSXX公司，開發了 ANSYS 通用有限元分析軟件。20世紀70 80年代是CAE技術的蓬勃發展時期，這期 問許多CAE軟件XX公司相繼成立。如致力于發展用于高級1二程分析通用有限 元程序的MARcXX公司；致力于機械系統仿真軟件開發的 MDIX

7、X公司；針對大 結構、流固耦合、熱及噪聲分析的 csARXX公司；致力于結構、流體、流固耦合 分析的ADINDXX公司等等。90年代，各CAD軟件開發商壹方面大力發展自身 CAD軟件的功能.如 CA, 11A、SOUDw0RKs、UG均增加了基本的 CAE前后 處理及簡單的線性、模態方面通過且購另外的cAE軟件來增加其軟件的cAE功能，如PK(PR0/E)對RAsAN的收購。于cAD軟件商大力增強其軟件cAE功能 的同時，cAE分析軟件也于向cAD靠攏。如MAc/NATTRAN 于1994年收購 了 PATRAN作為自己的前后處理軟件，且先后開發了和cAllA、UG等cAD軟件 的數據接口。A

8、NsYs也于大力發展其軟件的 ANsYs前后處理功能。sDRcXX公 司利用I DEAs自身的cAD功能強大的優勢，積極開發和別的cAD模型傳輸接 口。先后投放了和PR0/E、UG、cArl' IA等的接口，以保證cAD, cAE的關聯 性。同時cAE軟件也于積極擴展本身的功能。 ANsYS把其產品擴展為ANsY洲 EcHNIcAL。ANsYs, lS-DYNA。ANsYs, PREP0sT等多個應用軟件。sDRc則于自己的單壹 分析模型的基礎上先后形成了多專項應用技術，且將有限元技術和實驗技術有機 地結合起來。2CAE技術于內燃機設計中的應用內燃機作為動力機械，其各項指標涉及到燃燒、

9、排放、油耗、密封、強度、 噪聲等多方面內容，所以對應的分析也涉及到熱力學、流動力學、動力學、疲勞 分析等多個方面。而且內燃機的許多零部件，如曲柄連桿機構和配氣機構的形狀 結構、受力，以及發動機的流動、傳熱傳質、燃燒等工作過程十分復雜。因此建 立這些零部件及整機的數學模型是十分困難的，而求解數學模型則更為閑難。另 外于現代內燃機中由于對內燃機的性能和可靠性指標愈來愈高，其中的壹些參數 的變化趨勢相互制約，參數優化空間相對變小，研發的風險加大；產品開發需要 考慮的變量不斷增加。系統的復雜性增大；要求縮短產品開發的周期；降低產品 開發的成本和風險。為滿足現代內燃機丁業的發展需要，必須對傳統的“繪圖

10、+ 經驗+發動機臺架試驗”的設計方法進行改進。按照現代研發的基本流程，壹款 內燃機的研發主要包括設計、試驗、試制、投產等階段。cAE分析主要涉及設計和試驗階段，設計和驗證階段的數字化開發可細分為概念設計階段、布置設計階 段和詳細設計階段。每個階段均包含了數字化設計和驗證工作的且行和協同：設計工程師按照時間進度提交零部件、裝配的子系統及整機的CAD設計數據；驗證t程師應用CAE手段對設計部門提交的CAD數據進行包括最基本的尺寸和運 動學校核、復雜的動力學分析和功能實現以及最復雜的可靠性分析等進行全方位 驗證。2.1 概念設計階段概念設計階段是發動機產品開發流程中進入工程化開發過程的第壹階段，也是

11、最重要的階段。理論上來說，有關所開發產品的所有重大決策性問題均要于這 壹階段內解決。概念設計階段的主要工作有：對前期項目策劃階段完成的市場、 法規、競爭對手和競爭機型調查研究的結果進行分析和評估，且轉換為概念設計階段的設計輸入；產品設計、工藝設計、生專家們于概念設計階段需協同進行可 行性研究工作；根據產品的市場定位和倉業品牌的內涵，結合當前行業的技術發 展水平等因素。確定所開發產品于性能、質量、成本等方面適當的目標水平、具 體指標和規格要求；進行整機系統總體布置研究；確定產品的總體技術方案和各 子系統的總體技術路線等。此階段的cAE分析多以壹維分析為主，以基本結構和 基本參數為輸入，于整機級和

12、各大系統級建立虛擬樣， 通過cAE分析方法確定發 動機的基本性能、冷卻系統布置、曲軸系布置和和整車的匹配等。此階段的cAE分析任務有：內燃機氣體交換過程模擬，此類分析軟件主要有GT-Power和AVL-B00st等。內燃機熱動力學分析和整機性能預測.于氣體交換的基礎上增加 發動機缸內燃燒過程的仿真分析，預測發動機的總體性能，如功率、扭矩和燃油 消耗率等。然后反過來確定進氣系統、排氣系統、由缸蓋、缸體和活塞組成的燃 燒系統等子系統的主要參數和技術方案。內燃機冷卻系統壹維cFD分析.此類分 析軟件有cT-C砌等。內燃機潤滑系統壹維 cFD分析，此類分析軟件有f10wM 艄ter等。裝備該內燃機的整

13、車的基本性能仿真分析，該類分析軟件主要有AVLCmise 和 GTDrive 等。2. 2布置設計階段：布置設計階段主要是確定各主要零部件的尺寸和和相互之間的關系及接口，進壹步對概念設計階段確定的技術方案進行細化。此階段的cAD設計工作主要是根據概念設計階段的cAE仿真結果建立內燃機各大子系統的表面模型，確定和 建立各大子系統之間的裝配關系和模型等。CAE仿真分析則需要對所有的概念設 計階段的分析模型進行更新，使之更加具體和復雜，仿真的輸出結果也更加詳細和準確。同時。增加新的壹些 cAE仿真分析內容和領域，涉及動力學、有限元、 cFD分析等，如應用MsC . ADAMs等行業常用的專業軟件建立

14、分析模型，首先 冊前端輪系和配氣機構子系統的布置設計結果進行各運動零部件之間的裝配和 運動學關系進行檢查和校核.然后開始動力學分析。缸蓋、缸體、曲軸、凸輪軸 和連桿五大主要零部件的有限元分析，常用的分析軟件有Hyperworks 、NAsTRAN、ABAQus、AVLExCl7I 等。2. 3詳細設計階段：詳細設計階段，數字化開發范圍將覆蓋所有新設計零部件的全部特性，包括如詳細的尺寸、尺寸和幾何公差、設計基準、表面粗糙度、熱處理和材料技術條 件等，于詳細設計階段結束時將保證每壹個零部件的cAD設計數據（包括i維實體設計數據和二維平面設計數據）將能具體指導工廠的生產制造，因此，cAD設 計的工作

15、量急劇增長，成為詳細設計階段的主要1二作。同時，于詳細設計階段將應用CAE分析手段對所有新設計零部件的 CAD設計進行分析和驗證，以確保 于數字化開發階段解決每個新設計的零部件以及從零部件到各子系統、最后到整 機的每個層次均不存于問題。此階段，CAE分析的首要任務是對前倆個階段所有的分析模型根據詳細設計 階段能夠獲得的最全面的設計信息進行最后的更新和拓展，進壹步更準確地驗證 各零部件、系統和整機的功能和特性。比如于概念設計和布置設計階段進行的發 動機氣體交換壹維cFD分析的基礎上將進壹步拓展和更新到進行壹維或三維的進排氣噪聲分析，進排氣系統和發動機缸 內流動的=三維cFD分析。目的是從三維角度

16、考察發動機的氣體交換過程和流體 于發動機缸內的流動過程，保證發動機各缸進排氣的均勻度和發動機缸內流動的最佳化，以及于保證發動機性能設計指標的前提下盡量降低發動機的進排氣噪聲。于詳細設計階段所有零部件和子系統新的CAD設計均必須經CAE仿真分析驗證，確保任何設計問題解決后，開發流程才能進入樣機制造和驗證階段。2. 4試驗驗證階段試驗驗證階段按照開發流程，當設計完成后，就根據設計圖紙制作樣機且進 行組裝，然后按照關聯試驗方法對樣機的性能進行考核，且不斷優化。此階段的 cAE分析多以輔助試驗為主，針對試驗中出現的問題，查找原因，且提出優化建 議。2. 5應用軟件匯集計算程序壹股分為三類：大型通用程序

17、、專用程序和自編程序。所謂通用程序，它的特點就是“通用性”。通用有限元程序（如NASTRAN、ANsYs、HYPERw0Rl（s 等）壹股均能提供和 cAD 軟件（如 P" D, Engineer > uG、cAllA 等）的接口，將CAD模型自動轉換為適于有限元分析的模型。內燃機以計算機仿 真為手段的工程分析技術，主要內容包括有限元分析法、邊界元法、運動機構分 析、氣動或流場分析、電磁場分析等，其中有限元分析應用最廣泛。內燃機研發 壹股均使用專業的有限元分析（FEA）商業軟件，目前世界上大型的結構分析軟件主 要有：ABAQus、ANsYS、Msc .、Msc . Marc 等。AVL、Ricardo、FEv 等世 界著名的發動機研發機構均開發了專業的發動機模擬軟件。其中AVLXX公司的系列軟件包括：F1RE壹發動機計算流體動力學cFD軟件、BOOST壹發動機熱 力循環分析軟件、ExcITE壹發動機動力學和聲學計算軟件、EXCIrI'E de8i期e 壹曲軸組件的設計分析模塊、TYc0N:配氣結構計算軟件、GLIDE:活塞副動力 學分析軟件、HYDsIM :燃油噴射系統模擬軟件。3結束語之上首先論述了 cAE技術的概念和發展，而后結合現代內燃機產品開發流 程，簡要介紹了概念設計、布置設計、詳細