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CAE及其运用概述

引言：CAE(ComputerAidedEngineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了30多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。
CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于模型的建立和数据输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。针对这种情况，采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。

1.CAE软件的类型与特点
目前市场上流行的商品化CAE软件有NASTRAN、ANSYS、COSMOS、ADAMS、MARC、PATRAN、SAP、ASDA、DYNA3D等十余种，这些软件可大致从功能、集成性、运行平台及前后置处理的独立性几个方面来划分。

1.1从功能上划分

当今的主流CAE软件从功能上来区分，可分为通用型与专用型两大类。通用型CAE软件以覆盖的应用范围广而著称，NASTRAN、ANSYS、MARC等为其代表。专用型则以在某个领域中的应用深入而见长，如美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS／DYNA3D及ETA／FEMB。
通用型CAE软件最大的优点是为用户提供了广泛的选择可能性和扩展应用范围的余地。使不同规模与应用层次的用户都能在其中找到自己所适用的模块。但随之而来的问题是系统庞大，耗费大量的资源；没有针对性，使用难度比较大。
专用型CAE软件的最大优点是为用户提供了某些领域最专业的成果，系统小，耗费的资源少，使用与维护比较简单，但扩展时要不断购买所需软件，因而不同版本软件的数据交换是否畅通成为用户最关心的问题。
1.2从集成性上划分
从集成性上划分，可分为集成型与独立型两大类。集成型主要是指CAE软件与CAD／CAM软件集成在一起，成为一个综合型的集设计、分析、制造于一体的CAD／CAE／CAM系统。目前市场上流行的CAD／CAM软件大都有CAE功能，均可归入此类。如SDRC公司的I—DEAS，EDS／Unigrapphics公司的UGII、Intergraph公司的I／EMS，MatraDataVision公司的Euclid等等，将CAE软件集成进来并加以完善是CAD／CAM软件目前的发展趋势之一。
与集成型相对应，独立型CAE软件是单独使用的，这一类以老牌CAE软件如ANSYS、NASTRAN为代表。
集成型CAD／CAE／CAM软件的最大优点在于其集成性。在这样的环境中、用户可以直接在实体状态下进行网格划分和边界条件的处理，CAD实体模型的改变也将引起有限元模型的自动改变，省却了CAD与CAE软件之间各种传输与转换之苦，极大地提高了产品开发人员的工作效率。此外，这种集成软件的另一个特点是，其CAE部分大都来自目前工业界普遍认同的权威分析软件。如SDRC／I—DEAS集成的是MSC／NASTRAN，COSMOS／MDesigner是AutoCAD和COSMOS