CAE的基本原理和应用方面的专题报告

1、cae的基本原理及应用随着科技的发展进步，产品在趋于多样化、智能化的同时，会不 可避免地趋于复杂化。对于复杂的工程，人们都希望能在产晶生产以 前对设计方案进行精确的试验、分析和论证，这些工作需要借助计算 机实现，就是计算机辅助工程，即cae(computer aided engineering)。 cae是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一 个综合过程，关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开 始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评 价，以便从多个方案中选择最佳方案，或者直接进行设计优化。目前，为了更好地进行各工程阶段的工作，设计人员已越來越多

2、 地运用计算机辅助手段，于是产生了一系列的技术分支，如计算机辅 助设计 cad( computer aided design )> 计算机辅助试验 cat(computer aided test)> 计算机辅助丄艺过程设计 capp (computer aided process planning)以及计算机辅助制造 cam (computer aided manufacturing) 等，有时将它们统称为cax技术。cae的基本原理1、粘性流体力学的基本方程(1) 广义牛顿定律，反映了一般工程问题范围内粘性流体的应力张量 与应变速率张量之间的关系，数学表达式为本构方程。(2) 质

3、量守恒定律，其含义是流体的质量在运动过程中保持不变,数 学表达式为连续性方程。(3) 动量守恒定律，其含义是流体动量的时间变化率等于作用于其上 的外力总和，数学表达式为运动方程。(4) 热力学第一定律，其含义是系统内能的增加等于对该系统所作的 功与加给该系统的能量之和，数学表达式为能量方程。2、塑料熔体充模流动的简化和假设(1) 由于型腔壁厚(z向)尺寸远小于其他两个方向(x和y方向)的尺寸 且塑料熔体粘性较大，所以熔体的充模流动可视为扩展层流，z向的 速度分量可忽略不计，且认为压力不沿z向变化。(2) 充模过程中熔体压力不是很高，因此可视熔体为未压缩流体。(3) 由于熔体粘性较大，相对于粘性

4、剪切应力而言，惯性力和质量力 都很小，可忽略不计。在熔体流动方向(x和y方向)上，相对于热对流项而言，热传导项 很小，可忽略不计。熔体不含内热源。(6) 在充模过程中，熔体温度变化不大，可认为比热容和导热系数是 常数。(7) 熔体前沿采用平面流前模型。(8) 塑料熔体充模流动的控制方程。(9) 数值计算实施过程与策略3、cae软件的应用过程首先根据制品的几何模型剖分具有一定厚度的三角形单元，对各 三角形单元在厚度方向上进行有限差分网格剖分，在此基础上，根据 熔休流动控制方程在中性层三角形网格上建立节点压力与流量之间 的关系，得到一组以各节点压力为变量的有限元方程，解方程组求得 节点压力分布，同

5、时将能量方程离散到有限元网格和有限差分网格上, 建立以各节点在各差分层对应位置的温度为未知量的方程组，求解方 程组得到节点温度在中性层上的分布及其在厚度方向上的变化，由于 压力与温度通过熔体粘度互相影响，因此必须将压力场与温度场进行 迭代耦注射温度熔体流入冷却的型腔，因热传导而散失热量。与此同 时，由于剪切作用而产生热量，这部分热量可能较热传导散失的热量 多，也可能少,主要取决于注塑条件。熔体的粘性随温度升高而变低。 这样，注射温度越高，熔体的粘度越低，所需的充填压力越小。同吋， 注射温度也受到热降解温度、分解温度的限制。(1) 模具温度模具温度越低，因热传导而散失热量的速度越快，熔 体的温度

6、越低，流动性越差。当采用较低的注射速率时，这种现象尤 其明显。(2) 注射时间注射时间对注塑过程的影响表现在三个方面：1)缩 短注射时间，熔体中的剪应变率也会提高，为了充满型腔所需要的注 射压力也要提高。2)缩短注射时间，熔体中的剪应变率提高，由于 塑料熔体的剪切变稀特性，熔体的粘度降低，为了充满型腔所需要的 注射压力也要降低。3)缩短注射时间，熔体中的剪应变率提高，剪 切发热越大，同时因热传导而散失的热量少，因此熔体的温度高，粘度 越低，为了充满型腔所需要的注射压力也耍降低。以上三种情况共同作用的结果是，存在一个注射吋间，熔体温度，注 射压力，使所需的注射压力最小。4、注射模流动模拟软件分析

7、结果的指导作用注射模流动模拟软件的指导意义十分广泛，她是一种设计工具, 能够辅助模具设计者优化模具结构与工艺，指导产品设计者从工艺的 角度改进产品形状，选择最佳成型性能的塑料，帮助模具制造者选择 合适的注射机，当变更塑料品种时对现有模具的可行性做出判断,分 析现有模具设计弊病。同时，流动软件又是一种教学软件工具，能够 帮助模具工作者熟悉熔体在型腔内的流动行为，把握熔体流动的基本 原则。下面逐项分析三维流动软件的主耍输出结果是如何用来指导设 计的。（1）熔体流动前沿动态显示三维流动模拟软件能显示熔体从进料 口逐渐充满型腔的动态过程，由此可判断熔体的流动是否较理想的单 项流形式（简单流动）（复杂流

8、动成型不稳定，容易出现次品）。各个 流动分支是否在同时充满型腔的各个角落（流动是否平衡）。若熔体 的填充过程不理想，可以改变进料口的尺寸，数量和位置，反复运行 流动模拟软件，一直到获得理想的流动形式为止。若仅仅是为了获得 较好的流动形式而暂不考察详尽的温度场，应力场的变化，或是初调 流道系统，最好是运行简易三维流动分析（等温流动分析），经过儿 次修改，得到较为满意的流道设计后，再运行非等温三维流动分析。（2）型腔压力在填充过程中最大的型腔压力值能帮助判断在指定 的注射机上熔体能否顺利充满型腔（是否短射），何处最可能产生飞 边，在各个流动方向上单位长度的压力差（又称压力梯度）是否接近 相等（因为

9、最有效的流动形式是沿着每个流动分支熔休的压力梯度相 等），是否存在局部过压（容易引起翘曲）。流动模拟软件还能给出在 熔体填充模具所需的最大锁模力，以便用户选择注射机。（3）熔体温度流动模拟软件提供型腔内熔体在填充过程中的温度 场。可鉴别在填充过程中熔体是否存在着因剪贴发热而形成的局部热 点（易产生表面黑点、条纹等并引起机械性能下降），判断熔体的温 度分布是否均匀（温差太大是引起翘曲的主要原因），判断熔体的平 均温度是否太低（引起注射压力增大）。熔体接合点的温度还可帮助 判断熔合纹的相对强度。（4）剪切速率剪贴速率乂称应变速率或者速度梯度。该值对熔体的 流动过程影响甚大。实验表明，熔体在剪贴速率

10、为103s-1左右成型， 制品的质量最佳。流道处熔体剪贴速率的推荐值约为5*102-5*103s-l, 浇口处熔体剪贴速率的推荐值约为104105s-l o流动软件能给出不 同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率，这就有助于用户判断在该设计 方案下预测的剪切速率是否与推荐值接近，而且还能判断熔体的最大 剪切速率是否超过该材料所允许的极限值。剪切速率过大将使熔体过 热，导致聚合物降解或产生熔体破裂等弊病。剪切速率分布不均匀会 使熔体各处分子产生不同程度的取向，因而收缩不同，导致制品翘曲。 通过调整注射时间可以改变剪切速率。（5）剪切应力剪切应力也是影响制品质量的一个重要因索，制品的 残余应力值与熔体的

11、剪切应力值有一立的对应关系，一般，剪切应力 值大，残余应力值也大。因此总希望熔体的剪切应力值不要过大，以 避免制品翘曲或开裂。根据经验，熔体在填充型腔时所承受的剪切应 力不应超过该材料抗拉强度的1%o（6）熔合纹/气穴两个流动前沿相遇吋形成熔合纹，因而，在多浇 口方案中熔合纹不可避免，在单浇口时，由于制品的几何形状以及熔 体的流动情况，也会形成熔合纹。熔合纹不仅影响外观，而且为应力 集屮区，材料结构性能也受到削弱。改变流动条件（如浇口的数目与 位置等）可以控制熔合纹的位置，使其处于制品低感光区和应力不敏 感区（非“关键”部位）。而气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部 位，如果该部位排气不畅，就会

12、引起局部过热、气泡、甚至充填不足 等缺陷，此时就应该加设排气装置。流动模拟软件可以为用户准确地 预测熔合纹和气穴的位置。多浇口的平衡当采用多浇口时，来自不同浇口的熔体相互汇合, 可能造成流动的停滞和转向（潜流效应）,这时各浇口的充填不平衡， 影响制品的表面质量及结构的完整性，也得不到理想的简单流动。这 种情况应调整浇口的位置。流动模拟软件在优化设计方案更显优势。 通过对不同方案的模拟结果的比较，可以辅助设计人员选择较优的方 案，获得最佳的成型质量。5、流动软件的正确使用注射模流动模拟软件只是一种辅助工具，它能否在产生中性层发 挥作用并产生经济效益，在很大程度上取决于模具设计者的正确使用。（1）

13、流动软件的使用人员流动软件的使用者必须熟悉注射成烈工 艺，具有一定的注射模设计经验。这样，用户才能针对性地利用流动 软件解决模具结构设计或工艺问题，例如，如果浇口处剪切速率过高, 是修正浇口尺寸，还是改变熔体温度，抑或更换注射材料呢，不具备 注射成型工艺知识的人很难做出正确选择的。流动软件的输出的结果 涉及到塑料粘度，剪切速率，温度，压力以及它们的相互作用，即使 是经验丰富的模具设计师也应学一点塑料流变学的知识，总结注射流 动的基本规律，这样才能站在理论与实践结合的高度用好流动模拟软 件。（2）输入数据的正确性首先要输入合理的注射成型工艺参数。第二 还耍有正确的材料参数（如热传导率，比热，密度

14、，不流动温度以及 粘度等）。如前所叙，塑料材料的性能参数（流变性、压缩性等）十 分重要，不同的性能参数将导致完全不同的模拟结果。同时，塑料材 料的性能又因品种不同、牌号不同、生产厂家不同、甚至批次不同而 差异较大。因此，获得所用材料的准确的性能参数是使用cae软件的 前提条件。尤其是材料的粘性参数，对充模流动有重要影响，又不易 通过实验宜接获得。以上是cae的基本原理，而要在工程中应用cae技术，需要一 个载体，而cae技术的载体就是cae软件。cae软件是结合计算力学、 计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术，而形成的 综合性、知识密集型信息产品。cae软件大体可以分为专用和通用

15、两 类。专用软件，即针对特定类型的对象所开发的用于性能分析、预测 和优化的软件。从广义上说，设计人员手头的一些小计算程序都可以 认为是专用cae软件。通用软件，即可以对多种类型对象的物理、力 学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的 软件。通用cae软件主要指大型通用商业化软件，如nastran、adams、 ansys、marc、adina 以及 abaqus 等。cae技术主要包括以下三个方而的内容：（1）有限元法的主要对象 是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容；（2） 仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电 磁场计算等内容；（

16、3）优化设计的主要对象是结构设计参数。从运用有 限元法对已设计产晶的性能进行简单校核，逐步发展到对产品性能的 准确预测，再到对产品工作过程的精确模拟仿真，有限元法和仿真技 术发挥了重要作用，赢得了人们的普遍信赖。然而，提高产品竞争力 不但需要提高产品的性能、质量，也要降低产品的成本，缩短开发周 期。最优化技术引入cae方法，使人们从繁重的试凑工作中解脱出来， cae技术也达到了一个新高度。在用cae技术解决工程实际问题时， 需要注意以下两点。（l）cae工作是一项难度较大的工作。一项工作， 不会因为有了三维实体模型和载荷就可以马上得出结果。实际上，有 了三维实体模型以后，需要做大量的模型转换和

17、修改工作才可能得到 正确的分析模型，这项工作通常占到工作量的70%以上，情况复杂 时可能需要更长的时间。（2）般的cae分析都基丁结构材料无缺陷、 不存在工艺问题这样一种假设。一个结构如果在使用中偶然出现问题, 那可能是结构本身的原因，也可能是材料或工艺方面的原因，但如果 问题重复出现，则一定是结构原因，必须进行cae分析。如果材料和 工艺方面存在问题，一般的cae分析结论是不适用的，除非进行有关 材料和工艺的专项cae分析。下而我们就了解一下cae在汽车方而的应用ocae技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术 保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。在汽车发展历史上，至 今还没有

18、什么技术能与cae技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。 汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争日趋激烈。随着新产品推出 的速度越来越快，cae在汽车行业的应用越来越多，水平也在逐步提 高。统计结果表明，应用cae技术后，新车开发期的费用占开发成 本的比例从80%90%下降到8%12%。例如：美国福特汽车公司 2000年应用cae后，其新车型开发周期从36个月降低到12-18个 月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%； 投资收益提高50%。1> cae应用分类笼统地讲，汽车的每一个部件都可以做cae分析，但主要包括以 下3大关键部分：(1) 整车该部分的cae通常要

19、做运动学、动力学仿真，以模拟如 车辆行驶的平顺性、舒适性和可通过性。这需要建立整车的虚拟样机, 以确定整车参数。通常要确定的主要整车参数有：行驶性、操纵稳定 性、振动、噪声和舒适性；轮胎、悬架的配备；车身的动静刚度、强 度、寿命评价和车身固有频率；驾驶室通风、隔热、噪声；车身外流 场特性、发动机舱的气流和热交换；主动安全性与被动安全性水平等。(2) 大总成或者大的子系统汽车通常划分为4大系统:车身、底盘、 发动机、电子电器系统。整车分析确定的参数，分解到各个总成后， 需要对各总成进行cae分析，以确定这些参数可以在各总成实现。(3) 零部件和小总成这部分主要是对零部件(子总成)做cae分 析，

20、如车门、车门密封条、发动机缸体、悬架、面板、曲轴活塞、进 排气系统、轮胎、轮毂等，以确定它们的力学特性是否符合总体设计 要求，或者优化以进一步改进初始设计。通过对这些关键部分的cae 仿真分析，可以在概念设计阶段就把握好产品各个方面的性能，排除 问题。这对于汽车行业来说极为重要，因为问题发现越早，解决问题 的代价就越低。2、国内cae的应用现状cae在中国汽车行业的应用起步于20世纪80年代中期，历经十 几年的缓慢发展，到90年代后期开始加速，目前已经进入飞速发展 期。屮外合资的汽车以及零部件生产企业的cae应用水平普遍比较低, 因为这些合资企业的产品设计权在国外，他们的cae应用一般停留在

21、工艺更改后的验证层次，谈不上汽车关键部件的cae应用。随着外国 汽车以及零部件公司逐步在中国建立研发中心，其cae的应用水平也 会逐步提高。国有汽车企业的cae应用开始较早，但是发展缓慢，cae 人才流失比较多，有的单位cae仿真技术应用20儿年來还停留在基 本分析阶段。民营或者国内股份企业因为没有现成的产品可以生产， 开始是仿造，现在有的企业已经拥有自己的设计能力，且cae在关键 部件的应用水平还较高。国内一些自主品牌自主（半自主）开发的车 型，对cae分析的需求和依赖性较强，部件、子系统、整车运动与安 全都在进行cae分析。有的企业借助一些曾经在国外大汽车公司工作 的“海归”带冋的经验，并

22、结合本企业cae应用的经验，开始在着手 建立口己的cae应用规范和仿真流程。总休来讲，中国的轿车企业cae应用水平相对高，卡车次之，客 车企业属于起步阶段。3、如何解决应用难题就汽车行业来说，国内汽车厂家所用到的cae软件跟国外汽车厂 家所用的基本一样，那么，国内汽车厂家普遍应用水平不高的原因在 哪里呢？首先是企业领导对cae的功能还没有能够充分认识。虽然现在汽 车企业领导层普遍认识到cae的作用，但是对cae应用的难度没有 充分估计。不少企业认为买回来cae软件就可以发挥立竿见影的作用, 但事实上如果没有经验丰富的cae人员，很难立刻见到成效；再就是 cae人员的培养问题，cae分析专家既需

23、要比较深厚的理论基础，也 要具有相应行业的工程应用经验，cae分析人员的培养周期相对较长; 还有就是汽车企业通常缺乏自己的cae分析标准或者规范。要解决好汽车行业cae应用的上述问题，首先，汽车行业相关厂 商的领导层要充分认识cae的作用和难度，特别是后者。软件可以随 时购买，但是使用cae软件的人才是企业从头培养还是从相关行业引 进？如果是自己培养，那就要有长期见效的心理准备，而且要肯花钱 培训cae人员。当然如果企业想尽快见到成效，可以引进经验丰富的 cae人才，采取引进与自己培养相结合，这是一个较好的途径。有了 cae人员，企业还要努力建立自己的cae分析标准。目前，我国汽车 cae应用

24、中的最大问题就在于我们的企业没有自己的标准或者标准 不完善，从而会导致这样一种现象：就算做了 cae分析，也无法有效 地评价分析结果。所谓标准就是具体应用有限元软件进行特定设计产 品进行分析时，如何简化cad模型，如何定义载荷以及边界条件； 工况如何设置；进行什么类型的分析，如：是结构分析还是热、流场 分析，是否需要做热一结构耦合分析等，结构分析是静力还是动力, 有没有非线性问题等；分析完成如何评价结果，譬如：做轿车白车身 模态分析，第一阶模态频率需要达到多少hz才算合格呢？标准的解 决途径有两个：一是，自己通过试验和仿真相互校核，建立相关产品 的评价标准；二是，利用相关行业已有的经验来辅助建立自己的cae 分析标准。由此可见，cae分析标准的建立相当不易，需要做人量的 工作，并且要结合试验结果。然而，这个过程是必须要走的。4、针对汽车行业的全面解决方案ugs公司作为全球领先的plm厂商，有着40年的cae软件开发 与技术服务历史，能够为汽车行业提供全面的解决方案，包括cae 软件模块方案和技术服务方案（培训+咨询）。nx nastran （mcae 工业标准）针对汽车整车、零部件