【文章內(nèi)容簡介】 態(tài)和交變態(tài)的電磁場和電流分析——包括電磁場分析，電流分析，壓電行為分析以及電磁/結(jié)構(gòu)耦合分析。流體計算——包括常規(guī)的管內(nèi)和外場的層流，端流，熱/流耦合以及流/固耦合分析。 聲場與波的傳播計算——包括靜態(tài)和動態(tài)聲場及噪聲計算，固體，流體和空氣中波的傳播分析等。 前后處理是近十多年發(fā)展最快的CAE軟件成分，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實(shí)現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過增設(shè)CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等軟件的接口數(shù)據(jù)模塊，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE的有效集成。 CAE通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析(線性、非線性、靜態(tài)、動態(tài))；場分析(熱場、電場、磁場等)；頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。 CAE的作用 （1）增加設(shè)計功能，借助計算機(jī)分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本；（2）縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期； （3）CAE分析起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計”過程，虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性； （4）采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本；（5）在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題； （6）模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時間和經(jīng)費(fèi)；（7）進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。 CAE的價值CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在汽車發(fā)展歷史上，至今還沒有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來巨大的回報。汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè)，其競爭日趨激烈。隨著新產(chǎn)品推出的速度越來越快， CAE在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來越多，水平也在逐步提高。統(tǒng)計結(jié)果表明，應(yīng)用 CAE 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例從80%～90%下降到 8%～12%。例如：美國福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE后，其新車型開發(fā)周期從36個月降低到12～18個月；開發(fā)后期設(shè)計修改率減少50%；原型車制造和試驗(yàn)成本減少50%；投資收益提高50%。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以在產(chǎn)品設(shè)計初期, 即圖紙設(shè)計階段，通過建立基本的計算機(jī)分析模型，對所設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、壽命及特性預(yù)測，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，使產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)得到保證，有效地提高設(shè)計產(chǎn)品的可靠性, 縮短設(shè)計周期。如汽車產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計—試驗(yàn)校核的方法，則由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在設(shè)計過程中往往無法知道局部及總體強(qiáng)度等是否滿足設(shè)計要求, 只能靠一輪又一輪的設(shè)計試驗(yàn)來改進(jìn)，需要很長的設(shè)計周期及很高的設(shè)計試制費(fèi)用，已很難適應(yīng)市場的需求。而采用CAE技術(shù)，在汽車概念設(shè)計的同時，進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)分析，隨著設(shè)計圖紙的一步步完善，汽車結(jié)構(gòu)的有限元模型也進(jìn)一步細(xì)化，使分析計算的結(jié)果更趨于準(zhǔn)確。這樣，在最終圖紙完備后, 就能使整車的強(qiáng)度、壽命指標(biāo)得到控制，大大地減少了樣車的制作和試驗(yàn)時間。CAE技術(shù)不但對汽車整車或車身等大型結(jié)構(gòu)的宏觀控制發(fā)揮作用，對于解決汽車局部強(qiáng)度問題也很有效。在設(shè)計階段引入CAE可以及早發(fā)現(xiàn)錯誤，盡快修正錯誤的目標(biāo)。圖22表示了采用CAE技術(shù)與不采用CAE技術(shù)的設(shè)計、制造流程對比情況。 產(chǎn)品設(shè)計（CAD）發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺點(diǎn)不采用CAE技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計、制造流程產(chǎn)品設(shè)計（CAD）產(chǎn)品分析（CAE）產(chǎn)品制造（CAM）發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷采用CAE技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計、制造流程產(chǎn)品制造（CAM）圖22 設(shè)計、制造流程對比CAE技術(shù)的價值就在于可以在產(chǎn)品設(shè)計初期，即圖紙設(shè)計階段，通過建立基本的計算機(jī)分析模型，對所設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、壽命分析，運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真，以得到所設(shè)計產(chǎn)品的各種性能，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，有效地提高設(shè)計產(chǎn)品的可靠性，縮短設(shè)計周期。如在汽車產(chǎn)品的設(shè)計中采用CAE技術(shù)，在汽車概念設(shè)計的同時，進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)分析，平順性、操縱穩(wěn)定性仿真,在設(shè)計階段即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷、錯誤，及時地改進(jìn)這些缺陷和錯誤，可以大大地減少樣車的制作和試驗(yàn)時間。 CAE的應(yīng)用分類籠統(tǒng)地講，汽車的每一個部件都可以做CAE分析，但主要包括以下3大關(guān)鍵部分：圖23 汽車CAE分析圖 整車該部分的CAE通常要做運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真，以模擬如車輛行駛的平順性、舒適性和可通過性。這需要建立整車的虛擬樣機(jī)，以確定整車參數(shù)。通常要確定的主要整車參數(shù)有：行駛性、操縱穩(wěn)定性、振動、噪聲和舒適性；輪胎、懸架的配備；車身的動靜剛度、強(qiáng)度、壽命評價和車身固有頻率；駕駛室通風(fēng)、隔熱、噪聲；車身外流場特性、發(fā)動機(jī)艙的氣流和熱交換；主動安全性與被動安全性水平等。 大總成或者大的子系統(tǒng)汽車通常劃分為4大系統(tǒng)：車身、底盤、發(fā)動機(jī)、電子電器系統(tǒng)。整車分析確定的參數(shù)，分解到各個總成后，需要對各總成進(jìn)行CAE分析，以確定這些參數(shù)可以在各總成實(shí)現(xiàn)。 零部件和小總成這部分主要是對零部件（子總成）做CAE分析，如車門、車門密封條、發(fā)動機(jī)缸體、懸架、面板、曲軸活塞、進(jìn)排氣系統(tǒng)、輪胎、輪轂等，以確定它們的力學(xué)特性是否符合總體設(shè)計要求，或者優(yōu)化以進(jìn)一步改進(jìn)初始設(shè)計。通過對這些關(guān)鍵部分的CAE仿真分析，可以在概念設(shè)計階段就把握好產(chǎn)品各個方面的性能，排除問題。這對于汽車行業(yè)來說極為重要，因?yàn)閱栴}發(fā)現(xiàn)越早，解決問題的代價就越低。 CAE與CAD\CAMCAD是CAE和CAM的基礎(chǔ)。在CAE中無論是單個零件、還是整機(jī)的有限元分析及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，都需要CAD為其造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進(jìn)行曲面設(shè)計、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計。在CAD中對零件及部件所做的任何改變，都會在CAE和CAM中有所反應(yīng)。CAD/CAM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵手段，而CAE技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的最主要技術(shù)保障。 目前眾多的設(shè)計單位將“CAD”與“CAE分析”截然分開，由不同的人或部門來完成設(shè)計與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評判等過程，造成了整個設(shè)計流程的不暢通。事實(shí)上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計過程中，CAE應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計的各個階段和環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計分析一體化。3 CAE在汽車設(shè)計制造中的應(yīng)用 汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標(biāo)。因此汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析也是CAE技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面。汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一般都是應(yīng)用有限元法對汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計算。由于汽車是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)的分析計算都是針對汽車的某些重要的部件或總成（例如車架、懸架、傳動系等）。進(jìn)行分析的內(nèi)容主要包括靜力分析、特征值分析以及瞬態(tài)動力分析。 通過靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況。通過這些分布情況可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全、可靠、結(jié)構(gòu)的哪些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中、哪些部位強(qiáng)度不夠。以便對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。 通過特征值分析可以求得結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型。根據(jù)固有頻率和陣型，可以幫助設(shè)計人員分析、查找引起結(jié)構(gòu)振動的原因、并進(jìn)而通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)、避免發(fā)生共振。 通過瞬態(tài)動力分析可以計算汽車結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的應(yīng)力、位移等物理量的影響情況。例如汽車在以一定速度通過顛簸不平的道路時的應(yīng)力、位移；汽車在受到?jīng)_擊載荷作用是的應(yīng)力、位移以及這些量隨時間和載荷變化的情況。 車身覆蓋件成型過程的計算機(jī)仿真汽車覆蓋件主要是指覆蓋汽車發(fā)動機(jī)、底部、駕駛室和車身的用金屬薄板沖壓成的表面零件和內(nèi)部零件。與一般沖壓件相比，形狀復(fù)雜（多為空間曲面），外輪廓尺寸大，材料相對厚度小，表面質(zhì)量要求高。工藝和模具設(shè)計流程可以歸納為：（1）收集工藝和模具設(shè)計必需的原始產(chǎn)品資料；（2）產(chǎn)品可成形性分析；（3）確定合理的工藝方案、工序數(shù)和順序；（4）建立工序件模型；（5）工藝缺陷的預(yù)測和工藝方案的優(yōu)化；（6）確定模具工作型面、壓邊力、毛坯形狀和沖模行程等幾何和工藝參數(shù)，并選擇合適的壓力機(jī)和模具結(jié)構(gòu)；（7）編寫工藝文件；（8）模具可制造性評估；（9）模具結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計。覆蓋件工藝和模具設(shè)計的復(fù)雜性決定了上述流程是一個多次反復(fù)、不斷完善的過程。實(shí)踐證明，采用先進(jìn)的 CAD/ CAE/ CAM 技術(shù)可以提高設(shè)計的效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)的周期，減少開發(fā)的成本。 CAE技術(shù)在汽車翼子板拉延模具設(shè)計中的應(yīng)用薄板沖壓成型在汽車制造中是一種十分重要的制造技術(shù)。汽車覆蓋件大都采用薄板沖壓而成,其模具制造周期影響汽車的制造成本以及新產(chǎn)品開發(fā)的周期。目前，國外汽車界提出了3R戰(zhàn)略，即：縮短產(chǎn)品的市場化周期、降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和減輕汽車的質(zhì)量，其中一個重要環(huán)節(jié)就是降低車身覆蓋件模具的制造費(fèi)用和減少生產(chǎn)周期。沖壓工藝與模具設(shè)計是薄板沖壓成型技術(shù)的關(guān)鍵，由于沖壓成型過程是一個非常復(fù)雜的物理過程，涉及力學(xué)中的三大非線性問題。①幾何非線性(沖壓中板料產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動和大變形)；②物理非線性(又稱材料非線性，指材料在沖壓中產(chǎn)生的彈塑性變形)；③邊界非線性(指模具與板料產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系)。這些非線性的綜合，加上不規(guī)則的工件形狀，使得沖壓成型過程的計算相當(dāng)復(fù)雜，是傳統(tǒng)方法無法解決的。傳統(tǒng)的模具與工藝設(shè)計只能以許多簡化和假設(shè)為基礎(chǔ)進(jìn)行初步設(shè)計計算，然后大量地依靠經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試模、修模來保證零件的品質(zhì)。這樣的方法用于象汽車覆蓋件一類的要求精度高、成型性好的大型復(fù)雜零件的工藝與模具設(shè)計，不僅時間長、費(fèi)用高，還往往難以保證零件的品質(zhì)。隨著非線性理論、有限元方法和計算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，薄板沖壓成型的計算機(jī)仿真技術(shù)日漸成熟，并在沖壓工藝與模具設(shè)計中發(fā)揮越來越大的作用。沖壓成型過程的計算機(jī)仿真實(shí)質(zhì)上是利用數(shù)字模擬技術(shù)，分析給定模具與工藝條件的所沖壓的板料變形的全過程，從而判斷模具和工藝方案的合理性。每次仿真就相當(dāng)于一次試模過程。因此成熟的仿真技術(shù)不僅可以減少試模次數(shù)，在一定條件下還可使模具和工藝設(shè)計一次合格從而避免修模。這就可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場競爭力。 　板料成型過程的顯式有限元計算板料成型的CAE軟件是基于彈塑性有限變形理論開發(fā)的，根據(jù)算法的不同分為顯式和隱式兩大類，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。文中CADEM軟件是采用顯式算法。采用4節(jié)點(diǎn)殼單元在每個單元的中面定義隨動坐標(biāo)系如下。 S12te4t3圖31 隨動坐標(biāo)系式中rij=rjri,ri為節(jié)點(diǎn)i的位置矢量，如圖31所示。該坐標(biāo)系與單元一起運(yùn)動，所有物理量在隨動坐標(biāo)系中定義。經(jīng)等參插值，得單元中的速度為 v=NTvi (31)式中vi為節(jié)點(diǎn)速度矢量；N為插值函數(shù)，可表達(dá)為N(ξ,η)=Δ+xbx+yby+ξηγ (32)Δ=14A[s(sTX)bｘ(sTY)by] (33)bx=14A[(ψTY)ξ(ξTY)η] (34)by=14A[(ψTX)ξ+(ζTX)η] (35)A=14A[(ζTX)(ψTY)(ζTY)(ψTX)] (36)γ=14[h(hTX)bx(hTY)by] (37)式中ζT=[1,1,1,1]ψT=[1,1,1,1]ＳＴ=[1,1,1,1],ｈＴ=[1,1,1,1]式中X、Y為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矢量，速度梯度為 v=BV (38)板料成型系統(tǒng)必須滿足Hu Washizu變分原理，經(jīng)簡化得δ UT(∫Ω BTσdΩ+M168。UFExtFc)+δ∫Ω∑T(BB)vdΩ=0 (39)式中Fext為外力矢量，F(xiàn)c為接觸力矢量,M為質(zhì)量矩陣，σ為Cauchy應(yīng)力張量，∑為假定的應(yīng)力場，B為應(yīng)變位移矩陣， B為假定應(yīng)變場的應(yīng)變位移矩陣, U為節(jié)點(diǎn)速度矢量，168。U為節(jié)點(diǎn)加速度矢量，Ω為邊界域。選擇應(yīng)力場∑滿足∫Ω∑Ｔ(BB)vdΩ=0 (310)則控制方程為　M168。U=Fext+FcFint (311)式中內(nèi)力為　 Fint=∫Ω BTσdΩ (312)在顯式算法中，式(313)求解如下Un=M1n(Fextn+FFintn) (313)Un+12= Un12