【CAE】想做CAE结构工程师，先学会这些仿真吧

2019 年 4 月 5 日 产业智能官

CAE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。而CAE软件可作动力学分析，静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。

1、线性结构静力分析

结构线性静力分析是结构设计与强度校核的基础，主要是计算在固定不变的载荷作用下（包含由定常加速度引起的平衡惯性载荷）结构的响应（位移、应力、应变和力），不考虑惯性和阻尼的影响；固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

结构线性静力分析中，假定结构中的工作应力小于结构材料的屈服应力，因此应力应变关系服从虎克定理，具有线性关系．同时结构的变形（位移）相对结构的总体尺寸来说，又是很小的，所以问题可以用线性方程计算。从应用的角度看，多数情况下，结构的线性分析是评估很多结构设计问题的最有效的方法。

2、模态分析

结构的模态分析是结构动力分析的基础。模态也就是结构产生自由振动时的振动形态，也称为振型。每一个自由振动的固有频率都对应一个振型，一般说系统有多少自由度就有多少个固有频率。实际的分析对象是连续体，具有无限多的自由度，所以其模态具有无穷阶，要求用弹性动力学的偏微分方程解决，因为实际结构的复杂性，一般无法得到封闭解，通常都是用近似的方法来求解。

有限单元法就是一种常用的近似方法，可以比较正确的计算出足够多的结构振动模态。有限元中模态分析的本质是求方程的特征值问题，所分析的结构振动模态的“阶数”就是指要求的对应数学方程的特征值的个数。将特征值从小到大排列就是阶次。

模态分析的目标是确定系统的模态参数，即系统的各阶固有频率和振型，为结构系统的动力特性分析和优化设计提供依据。

3、屈曲分析

在通常的结构分析中，结构处于一个稳定平衡的状态。但是有一些承受较大压应力的细薄结构，例如细长的受压杆，受到较大水压的深海容器等，当它们所受到的压应力达到某个临界值时，原来的平衡状态就会变得不稳定，受压的直杆会因为失去稳定性而变弯曲，受到高水压的容器会因为失稳而压瘪。屈曲分析就是一种用于确定结构失去稳定性的临界载荷和屈曲模态形状的技术。广泛应用于细薄结构的设计分析中。

4、非线性结构分析

固体力学从本质上讲是非线性的，线性假设是实际问题的一种简化，在分析线弹性体系时，假设节点位移无限小，材料的应力和应变关系满足虎克定律，加载时边界条件保持不变，若不满足上述条件之一就会形成非线性问题；

结构非线性问题主要有：

几何非线性：如果结构的变形比较大，使应力和应变之间不能再用线性关系来表示，很大的位移也可能使外力之间的平衡关系改变，以致不能继续采用线性分析，这种非线性问题称为几何非线性，比如大位移小应变，大位移大应变。

材料非线性：由于载荷过大等因素的影响，当结构中的应力达到或超过材料的屈服应力时，材料的应力应变关系不再符合虎克定律，也可能一些材料的应力应变关系本来就不服从虎克定理，这种问题统称为材料非线性问题，如弹塑性问题，超弹性问题和蠕变问题等。

边界非线性：接触问题，系统的刚度由于系统状态的改变在不同值之间突然变化；接触是一种很普遍的非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题有两大难点：①在求解问题之前，不知道接触区域表面之间是接触的、分开的还是突然变化的，这随着载荷、材料、边界条件等因素而定；②接触问题常需要计算摩擦，各种摩擦模型是非线性的，这使得问题得收敛变得困难。

5、动力响应分析

在动载荷（载荷大小、方向和作用点随时间变化）作用下，结构上相应的位移、应力和应变不仅随空间位置变化，而且随时间变化。

结构动力学解决两个问题：一是寻求结构的固有频率和主振型，了解振动特性；另一个就是分析结构的动力响应特性，计算结构受到动载荷时的动位移，动应力和动应变的大小及其变化规律。

根据动载荷的不同，动力响应计算主要分以下几类：

频率响应分析：主要用于计算结构在简激励作用下的稳态动力响应。频率响应分析中，载荷是时间的谐函数，需要指定它的大小，频率和相位。频率响应分析限于线弹性结构。

直接频率响应分析：直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应。该类分析在频域中主要求解二类问题。第一类问题是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼，分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。第二类问题是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度所定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征，分析得出位移、加速度、约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。

模态频率响应：模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的二类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。用模态频率响应方法计算结构动力响应时，先进行结构的模态分析，根据所计算的模态个数，得到截断了的低阶模态矩阵，在考虑粘性阻尼的情况下用这个矩阵解偶结构动力学方程，得到模态坐标中的相应方程，分别求解这些方程，得到模态坐标中的响应解，最后用坐标变换得到实际物理坐标中的动力响应。该分析的输出结果与直接频率响应分析得到的输出结果相同，由于采用了模态截断和解偶，大大减少了计算量，但是计算结果中，没有包括被截断的高阶模态。

瞬态动力学分析：也称时间历程分析，用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应，确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的任意组合作用下随时间变化的位移、应力、应变，分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑强迫刚体位移作用。

直接瞬态响应分析：直接瞬态响应分析中结构可以同时具有粘性阻尼，结构阻尼和其他形式的阻尼。在节点自由度上直接形成耦合的矩阵方程并对这些方程进行数值积分，求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。

模态瞬态响应分析：模态瞬态响应分析中先进行模态分析，根据需要进行适当的模态截断以减小问题的规模，然后用截断的模态矩阵对动力学方程进行解偶，得到简缩了的用模态坐标表示的方程，对此方程进行数值积分，得到模态坐标中的动力响应，最后通过坐标变换得到物理坐标中的响应，这个响应结果和用直接瞬态响应分析得到的响应是等同的，不过由于采用了模态截断，所以结果中没有包括高阶响应的部分。这种方法对大型问题可以大大减少计算量，由于高阶响应对实际结果影响很小，所以结果的精度也能适当保证。

6、疲劳分析

疲劳是指结构在低于静态强度极限的载荷重复作用下出现初始裂纹，裂纹扩展，直到裂纹疲劳断裂的现象；影响疲劳破坏的原因很多，主要考虑的是载荷的循环特征和循环次数，构件材料的疲劳特性，构件的应力分布，以及构件的形状，大小尺寸以及材料表面热处理等因素。

疲劳分析结果主要有：应力安全因子，疲劳安全因子和疲劳寿命。

7、优化设计

设计优化是为满足特定优选目标如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等等的综合设计过程。这些优选目标称之为设计目标或目标函数。优化实际上含有折衷的含义，例如结构设计的更轻就要用更少的材料，但这样一来结构就会变得脆弱，因此就要限制结构件在最大许用应力下或最小失稳载荷下等的外形及尺寸厚度。类似地，如果要保证结构的安全性就要在一些关键区域增加材料，但同时也意味着结构会加重。

优化的三大变量：设计变量（自变量，每个设计变量都有上下限，定义了设计变量的变化范围）；状态变量（因变量，设计变量的函数，可以有上下限，也可以只有上限或者下限）；目标函数（最终的优化目的，必须是设计变量的函数，也就是改变设计变量的数值将改变目标函数的数值）

8、热传导分析

热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性，可以计算出结构内的温度分布状况，并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。可通过改变发热元件的位置、提高散热手段或绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。

线性/非线性稳态热传导分析

基于稳态的线性热传导分析一般用来求解在给定热载和边界条件下，结构中的温度分布，计算结果包括节点的温度，约束的热载和单元的温度梯度，节点的温度可进一步用于计算结构的响应；稳态非线性热传导分析则在包括了稳态线性热传导的全部功能的基础上，额外考虑非线性辐射与温度有关的热传导系数及对流问题等。

线性/非线性瞬态热传导分析

线性/非线性瞬态热传导分析用于求解时变载荷和边界条件作用下的瞬态温度响应，可以考虑薄膜热传导、非稳态对流传热及放射率、吸收率随温度变化的非线性辐射。

今天我们就介绍了在结构和传热领域常见的工程分析，对于产品的研发与创新是至关重要的，尤其是智能制造的今天，本文所介绍的分析方法几乎是每一个产品诞生前的必经阶段。

汽车行业常用的CAD、CAE软件简介

计算机技术已成为现代工业提升竞争力的主要手段之一。

最先将计算机技术引入工业应用的是CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计），使用计算机软件直接从事图形的绘制与结构的设计；然后是CAM（Computer Aided Manufacture，计算机辅助制造），使用计算机来操纵各式各样的精密工具机器以制造不同的零件组；最后引入的是CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程），基于在产品分析和优化设计中的强大助理作用，自引入工业应用以来得到了长足的发展和广泛的应用。

其中，对CAD的理解可分为三个层次，分别赋予"D"不同的解释：“Drawing”、“Design”、“Development”，即“绘图（先以扩展到三维造型）”、“设计”、和“开发”。

当前在以汽车工业为代表的诸多应用领域中，往往更习惯于“Drawing”的理解方式，并据此划分CAD和CAE的功能界限，形成CAD与CAE的相互驱动，进而决定了CAD与CAE的协同关系。

此外，在汽车工业应用中，还有CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺计划）、CAT（Computer Aided Test，计算机辅助测试）等计算机辅助手段。随着计算机技术的发展，我们希望计算机能够实现CAD/CAE/CAT、CAD/CAPP/CAM的集成以缩短产品开发和制造的周期。

一、通用化CAD软件在汽车工业中的应用

在汽车工业中常用的商业化通用CAD软件有UG、CATIA、ProE等。

1、UG是美国UGS(Unigraphics Solutions)公司的主导产品，是集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件，是面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件,是当今最先进,最流行的工业设计软件之一.它集合了概念设计.工程设计,分析与加工制造的功能,实现了优化设计与产品生产过程的组合。被广泛应用于机械、汽车、航空航天、家电以及化工等各个行业。UG将CAD/CAM/CAE三大系统紧密集成，用户在使用UG强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配及创建工程图等功能时，可以使用CAE模块进行有限元分析、运动学分析和仿真模拟，以提高设计的可靠性；根据建立起的三维模型，还可由CAE模块直接生成数控代码，用于产品加工。

2、CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。

CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（end to end ）的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车，各种车辆在CATIA 上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的，并且被各国的汽车零部件供应商所认可。

3、Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

二、通用化CAE/CAM软件在汽车工业中的应用

在汽车的开发中，CAE起到了重要作用。CAE是一个很广的概念，从字面上讲它可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但是，传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现涉及缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。所以，CAE是一项综合应用技术，它以解决具体工程问题为出发点，借助于计算机信息处理手段，集成应用计算数学、计算力学等“单元”技术，形成系统化的技术解决方案以支持复杂工程或产品的优化设计。计算数学与计算力学渗透于各个应用分支，为具体工程问题的建模与求解提供了相应的数学工具，从而构成CAE软件的核心计算方法。传统观点认为CAE基本等同于有限元分析技术；如今的观点认为，CAE基本等同于计算力学手段及其综合再加上优化设计技术。

目前，国内汽车汽车工业进行CAE分析以使用国外成熟的商业软件为主，也有少量自编程软件。常用的CAE软件列举如下：

前后处理软件：Heperworks、Patran

碰撞分析：LS-Dyna、Pam-Crash、Radioss

机械动力学仿真：Adams

非线性分析：Abaqus、Marc、Ansys

疲劳分析：Fatigue

流体分析：Fluent、Star-cd、AVL-Fire

锻压过程分析：SuperForge

汽车内噪声预测分析：Akusmod

多学科智能优化：iSight

汽车自动化建模：SOFY

发动机热力学分析：GT-Power

整车性能分析：GT-Drive

当前，CAE技术在汽车产品的开发过程中，需要解决的关键问题主要集中在以下五个方面：

①系统动力学分析。主要分析汽车的行驶性、操纵性等，常采用多体（多刚体、多柔体）系统动力学分析方法。

②疲劳寿命分析。汽车疲劳寿命分析主要研究汽车整车及各部件的动、静疲劳寿命。

③碰撞分析。碰撞分析方法主要包括有限元法、多刚体系统动力学法河机械振动学法。汽车碰撞分析主要进行车身结构的耐撞性研究、碰撞生物力学研究和乘员约束系统及安全内饰件研究。

④NVH分析。工程中常用的NVH分析方法有：多刚体系统动力学方法、有限单元法、边界元法、统计能量分析法。

⑤空气动力学分析。主要进行汽车高速行驶时的气动噪声分析，分析汽车高速行驶时空气流场对操纵稳定性的影响。

在汽车CAE领域，在上述通用化商业化软件得到广泛应用的同时，一些面向汽车产品设计开发领域特定问题的专用商品化软件业得到了很好的发展，如：Adams/car（常与Matlab/simulink进行联合仿真）ADVISOR、PSAT等。

主要软件介绍如下：

1、MSC.ADAMS

MSC.ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，机械系统动力学自动分析）是一款功能完善的系统动力学分析软件，是美国MSC.Sofeware公司的系列软件产品之一。应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算，进行机电产品性能分析。

MSC.ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。

在汽车领域SMC.ADAMS/Car的应用已比较普遍。ADAMS/Car吸收了Audi、BMW、Renault和Volvo等汽车公司的设计开发经验，能够快速建立高精度的车辆子系统模型和整车模型，可以通过高速动画直观地再现各种工况下的车辆运动学和动力学仿真，并输出表征稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性等的性能参数。

2、ANSYS

ANSYS是融合结构、流体、电场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由美国ANSYS,Inc.公司开发。它能与大多数CAD软件接口，如Pro/Engineer、Unigraphics、CATIA、I-DEAS、AtuoCAD等实现数据共享与交换。ANSYS的基本功能包括：结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、柔体运动分析、热分析、电磁场分析、计算流体分析、声场分析等。

在运用ANSYS进行汽车设计中，前处理阶段需要进行“定义载荷信息”的操作，而载荷信息是否真实直接关系到分析结果的正确性和可用性。汽车仿真分析中，常从事先在ADMS/Car中建立的整车模型的相关仿真结果中提取所需要的载荷信息。

3、MSC.NASTRAN

MSC.NASTRAN是美国MSC.Sofeware公司推出的一款大型结构有限元分析软件。当前，众多企业和工业行业已将MSC.NASTRAN的计算结果作为标准代替其他质量规范。MSC.NASTRAN具有开放性的结构，全模块化的组织形式使其不但拥有很强的分析能力而又能保证很好的灵活性，使用者可以根据自己的工程问题和系统需要通过模块选择和组合获得最佳的应用系统。此外，MSC.NASTRAN还为用户提供了开发工具DMAP语言。

MSC.NASTRAN与ANSYS同为大型通用有限元分析软件，其功能和用途也有许多一致和相似之处。MSC.NASTRAN的主要功能包括：静力学分析、屈曲分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析等。还能进行诸如空气动力弹性及颤振分析、流固耦合分析、多体超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度分析及优化设计等。

4、LMS.SYSNOISE

LMS.SYSNOISE是比利时LMS公司开发的大型声学分析软件，用于计算声场中任一点处的声压、声辐射功率、声强，结构对声场的辐射功率、能量密度，流体的模态，并能计算声振耦合问题。还能与其他有限元软件（如NASTRAN）相结合，进行降噪优化设计。

LMS.SYSNOISE本身不具备前处理功能，但它能与众多主流有限元分析软件有界面程序连接，可由此读取有限元的模型数据，以及模态、表面振动速度等计算结果，从而提高建模速度。

5.MATLAB/Simulink

Simulink是Mathworks公司开发的动态系统通用仿真软件包。Simulink为用户提供了用方块图进行建模的图形接口，只需点击和拖动鼠标操作就可以完成复杂系统建模。它提供了一种更快捷、更直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

在汽车电子产品开发设计中，往往需要将控制器与控制对象模型联系起来实施仿真分析，以预估或评价整个车辆系统的控制效果。鉴于MATLAB/Simulink在控制器模型构建方面具有独特的优势，而ADAMS/Car则具有整车建模的方便性与完善性，常将二者联合起来建立联合仿真模型，以提高建模效率和仿真精度。

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