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CAE

CAE(Computer Aided Engineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、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一種近似數值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始應用到今天,已經歷了50多年的發展歷史,其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程,現已成為工程和產品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域)必不可少的數值計算工具,同時也是分析連續力學各類問題的一種重要手段。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都有很大提高,各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生,并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。CAE系統的核心思想是結構的離散化,即將實際結構離散為有限數目的規則單元組合體,實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析,得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析,這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。其基本過程是將一個形狀復雜的連續體的求解區域分解為有限的形狀簡單的子區域,即將一個連續體簡化為由有限個單元組合的等效組合體;通過將連續體離散化,把求解連續體的場變量(應力、位移、壓力和溫度等)問題簡化為求解有限的單元節點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數方程組,而不是原來描述真實連續體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數值解,其近似程度取決于所采用的單元類型、數量以及對單元的插值函數。根據經驗,CAE各階段所用的時間為:40%~45%用于模型的建立和數據輸入,50%~55%用于分析結果的判讀和評定,而真正的分析計算時間只占5%左右。針對這種情況,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。我們稱這一過程為CAE的后處理。針對不同的應用,也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產線、工廠的運動和運行狀態。 CAE 計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技術的提出就是要把工程(生產)的各個環節有機地組織起來,其關鍵就是將有關的信息集成,使其產生并存在于工程(產品)的整個生命周期。因此,CAE系統是一個包括了相關人員、技術、經營管理及信息流和物流的有機集成且優化運行的復雜的系統。   隨著計算機技術及應用的迅速發展,特別是大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現,使計算機圖形學(Computer Graphics,CG)、計算機輔助設計(Computer Aided Design,CAD)與計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)等新技術得以十分迅猛的發展。CAD、CAM已經在電子、造船、航空、航天、機械、建筑、汽車等各個領域中得到了廣泛的應用,成為最具有生產潛力的工具,展示了光明的前景,取得了巨大的經濟效益。   計算機技術的迅速發展還推動了現代企業管理的發展,企業管理借助于管理信息系統的支持與幫助,利用信息控制國民經濟部門或企業的活動,做出科學的決策或調度,從而提高管理水平與效益。企業生產經營活動的各個環節,從工程的立項、簽約、設計、施工(生產),一直到交工(交貨),是一個連續的過程,有機的整體. 從廣義上說,計算機輔助工程包括很多,從字面上講,它可以包括工程和制造業信息化的所有方面,但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品進行性能與安全可靠性分析,對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬,及早發現設計缺陷,并證實未來工程、產品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指CAE軟件。   CAE軟件可以分為兩類:針對特定類型的工程或產品所開發的用于產品性能分析、預測和優化的軟件,稱之為專用CAE軟件;可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優化,以實現產品技術創新的軟件,稱之為通用CAE軟件。 CAE CAE軟件的主體是有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)軟件。   有限元方法的基本思想是將結構離散化,用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象,單元之間通過有限個節點相互連接,然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的,節點的數目也是有限的,所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大,只要改變單元的數目,就可以使解的精確度改變,得到與真實情況無限接近的解。   基于有限元方法的CAE系統,其核心思想是結構的離散化。   根據經驗,CAE各階段所用的時間為:40%~45%用于模型的建立和數據輸入,50%~55%用于分析結果的判讀和評定,而真正的分析計算時間只占5%左右。 CAE 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,表示應用、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。我們稱這一過程為:CAE的后處理。針對不同的應用,也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產線、工廠的運動和運行狀態。

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