走自主创新之路,打造国产品牌CAE软件

1、走自主创新之路，打造国产品牌CAE软件吴 蕙 张 帆郑州机械研究所摘要 综观我国的CAE软件产业，国内市场上基本被国外的几家著名的软件公司垄断，导致我国自主开发的CAE软件无立足之地。为了改变目前状况，我国的CAE软件公司应该走自主创新之路，打造国产品牌的CAE软件，在CAE软件产业中占有一席之地。郑州机械研究所具有30多年从事有限元技术研究开发及推广应用的经验，致力于发展我国的CAE软件，近年来在CAE技术方面取得很大进展。通过国家“九五”科技攻关专题、国家科技部创新基金资助项目，开发出了具有自主版权、与上游三维CAD软件无缝集成的具有国际先进水平的高科技软件产品“紫瑞CAE”。 紫瑞CAE

2、软件无论在功能上，还是在剖分求解能力上，都可与国外同类软件相媲美，完全可以替代国外同类CAE软件产品。它适用于机械、汽车、建筑、水利、交通、能源、航空、航天、船舶等领域的结构设计与分析。关键词 结构分析软件 紫瑞CAE众所周知，有限元技术产生于上个世纪六十年代。经过四十多年的发展，有限元理论已趋于成熟。随着计算机技术的发展，近年应用有限元技术的CAE软件在友好的人机界面、自动化的前处理、计算结果可视化等方面有了很大进展。我国在“十五”、“十一五”期间大力推进制造业信息化和发展装备制造业，使得国内企业越来越意识到CAE的重要性。国外几大软件厂商看好国内市场，纷纷在国内设立办事机构和分公司。国外大

3、型有限元分析软件虽然功能齐全，但对国内许多中小企业来讲，一方面是价格昂贵，应用界面、帮助信息及用户手册很多是英文版，更主要的是需要有较高的专业知识和专门培训才能使用。许多例子表明，企业花了许多经费引进国外分析软件，又花了许多时间派专人进行培训，结果软件只掌握在受培训的少数人手中，这些人员由于掌握了一技之长，往往跳槽到国外在华公司，造成企业人才流失，花费巨额资金购买的软件也发挥不了应用的作用。种种因素的制约，使得企业在对产品更新时虽然对CAE软件迫切需要，但是又觉得高不可及，使得有限元技术在国内难以普及。综观我国的CAE软件产业，国内市场上基本被国外的几家著名的软件公司垄断，导致我国自主开发的C

4、AE软件无立足之地。为了改变目前状况，我国的CAE软件公司应该走自主创新之路，打造国产品牌的CAE软件，在CAE软件产业中占有一席之地。郑州机械研究所具有30多年从事有限元技术研究、开发、应用、推广的经验，早在80年代初就率先引进美国有限元程序SAP和ADINA，在全国办班推广，并解决过许多重大工程问题。从上世纪九十年代末，郑州机械研究所联合中科院计算数学与科学工程计算所及北京大学，通过国家“九五”科技攻关专题机械CAE系统产业化开发、国家科技部创新基金资助项目智能CAD/CAE技术研究和产业化开发，开发出了具有自主版权、与上游三维CAD软件无缝集成的具有国际先进水平的高科技软件产品“紫瑞CA

5、E”，并于1999年获得国家版权局软件著作权证书，是信息产业部认可的软件产品。1999年10月由河南省科委、郑州市科委组织鉴定，2001年1月由国家科技部组织验收，验收、鉴定意见为“该软件设计思想先进，自动化程度高，技术水平、使用性能等方面均已达到国际同类软件的先进水平”。2004年获中国机械工业科学技术奖二等奖。我国中小企业量大面广，大部分设计人员不具备专业的有限元知识，紫瑞CAE软件针对我国国情，面向设计人员开发，操作简单，使用方便，自动化程度高，不懂有限元技术的一般设计人员也会使用。当前与紫瑞CAE集成的上游CAD软件是SolidWorks公司的SolidWorks及AutoDesk公司

6、的AutoCAD或MDT等系列版本。用户在使用紫瑞CAE软件进行分析之前，必须提供由上游CAD系统建立的或者上游CAD系统能支持的其他CAD系统建立的三维实体模型。该软件是与上游CAD软件无缝集成的自动化有限元结构分析软件。有限元分析中的网格剖分、载荷与约束施加、有限元分析求解、分析结果后处理以及设计检查都是自动进行的。用户只需在上游CAD主菜单中选择由紫瑞CAE嵌入的“结构分析”、“温度场热应力分析”各子菜单，上述步骤即可由紫瑞CAE完成。该软件网格剖分和求解分析速度都很快，一般工程问题短时间即可完成。它适用于所有行业中的结构设计与分析。尤其适用于机械、汽车、建筑、水利、交通、能源、航空、航

7、天、船舶等领域。紫瑞CAE软件的几大功能：一、自动网格剖分功能1、紫瑞CAE软件可以对上游CAD软件建立的任意三维实体进行网格自动剖分。尤其是复杂的铸件、机器的外壳、造型古怪的零部件、各种厚度钢板组成的拼焊结构，都能实现自动网格剖分，单元尺寸根据用户提供的少量剖分信息由程序自动选定。2、紫瑞CAE软件能对异材多体组合结构进行全自动网格剖分。3、紫瑞CAE软件的自动网格剖分能一次性生成杆、梁、板壳、块体及高精度块体等多种单元。4、紫瑞CAE软件的自动网格剖分还带有局部网格加密的功能。局部加密包括自动局部加密和手工局部加密两种。软件能自动识别模型中的倒角、小凸台等小特征，进行自动加密。对于用户关心

8、的区域或应力变化较大的区域，用户可手工进行加密。手工局部加密的方式包括柱式加密、球式加密和环式加密三种。各种局部加密区域可以相互叠加，紫瑞CAE软件会自动计算各种加密区域叠加部位的局部剖分尺寸和过渡比例。总体均匀剖分加上局部加密剖分的组合就可以形成网格疏密相间、合理过渡的有限元网格。局部网格加密是紫瑞CAE软件中具有国际领先水平的技术特色。巧用局部加密技术，可使剖分更加合理，减少剖分、分析和后处理的工作量，提高分析精度。二、载荷与约束的施加功能1、紫瑞CAE软件可在剖分前直接在上游CAD软件中对三维实体模型上施加体力、面力、线载荷、点载荷、扭矩、方向载荷和指定位移。体力包括实体的自重和离心力两

9、种。面载荷施加在被选面上施加法向均布载荷、法向线性分布载荷以及方向载荷。线载荷作用在模型可选线上，可以是模型的边，也可以是分割模型后产生的边。可以在线上、面上的点处施加点载荷。软件提供了多种施加点力的功能。受力点可以是三维实体上原有的顶点（Vertix），可以是实体上边缘线（edge）上的点，可以通过用户定义的曲线上选点，也可以选择实体某一表面，作辅助线，再在辅助线上定义点，最后施加点力，当定义的点并非精确位于实体时，可以用投影的方式将该点定位。2、紫瑞CAE软件可以在网格剖分前直接对上游CAD软件中建立的三维实体施加面约束、线约束以及线上的点、面上的点或顶点处的约束。在总体直角坐标系下，可以

10、对单个方向进行约束，也可以同时约束三个方向。对有些模型，要对模型中的圆柱面的法向或切向进行约束（如轴承），紫瑞CAE软件提供在极坐标下的约束功能。可以在三维实体上施加面的法向约束和圆柱面的柱式约束。三、有限元分析功能软件提供八种有限元分析类型，即线性静力分析，线性动力响应分析，线性频率分析（即自由振动分析），线性屈曲分析；非线性静力分析（包括材料非线性以及几何非线性）；非线性动力响应分析（包括材料非线性及几何非线性）；稳态温度场分析及热应力分析。1、线性静力分析线性静力分析是线弹性分析。通过线性静力分析可以获得结构的位移和应力的各种分量和合成量。线性静力分析使用的算法是通用求解法和快速求解法。

11、它是紫瑞软件公司最新的研究成果，它比常见的商品软件中同类算法的运行速度快。紫瑞CAE软件提供了静力分析所需的国产材料库，用户也可以自己增加所需材料。2、线性动力响应分析线性动力响应分析是求结构在动力载荷作用下，变形和应力都在弹性范围内时结构的动力响应，即求出随时间变化的位移、速度、加速度、应力和应变等力学量。它与线性静力分析的主要区别在于，动力载荷是随时间变化的，并且要考虑惯性力和阻尼的影响。线性动力分析可用模态叠加法和直接积分法进行求解，对于直接积分法又分显式和隐式时间积分两种。3、线性频率分析线性频率分析是求解结构自由振动时的固有频率及其相应的模态（或称振型）。频率分析可用行列式搜索法和子

12、空间迭代法。可以求解由结构最小频率算起的用户定义的若干低阶频率及相应的模态；也可以求解某一频率区间内的频率及其相应的模态。4、线性屈曲分析线性屈曲分析是求解结构在给定约束和受力情况下失稳时的临界载荷。屈曲分析与自由振动问题一样也是特征值问题的求解。当然不是所有力学模型都可以进行屈曲分析，得满足一定的条件。紫瑞CAE软件直接求得的是临界载荷因子和屈曲模态。临界载荷因子乘以所施加的载荷就是结构的临界载荷。5、非线性静力分析非线性静力分析是指结构在静力载荷作用下，应力超过了材料的屈服极限（即应力与应变之间呈非线性关系），或变形超过一定程度，应变与位移之间呈非线性关系，前者称为材料非线性；后者称为几何

13、非线性。对于材料非线性问题，紫瑞CAE软件提供了多种常用的模拟非线性的材料模式。几何非线性问题，通常又分为大位移小应变以及大位移大应变等情况。在静力分析时，当材料非线性和几何非线性同时发生，或两者任何一种情况发生时，都构成非线性静力分析。所以在非线性静力分析模式中，也包括了线弹性材料模式。6、非线性动力分析非线性动力分析是指结构在随时间变化的动力载荷作用下的材料非线性和几何非线性分析，或仅有材料非线性或仅有几何非线性分析。由于是动力分析，需要考虑惯性力和阻尼的影响。在进行非线性动力分析时，采用逐步积分法求出结构在各时间步上的动力响应；由于是非线性问题在各个时间步要对非线性方程组进行平衡迭代，迭

14、代的方法和收敛准则与非线性静力分析相同。7、稳态和瞬态温度场分析所谓稳态温度场分析是指被分析物体的温度分布不随时间变化而改变，而且被分析物体的热物理参数被视为常数。通过稳态温度场分析可以求得物体上的温度、热流的分量及合成量的分布。瞬态温度场分析时被分析物体的温度分布随时间变化而改变，可以求得物体上个时间步上的温度、热流的分量及合成量的分布。8、热应力分析紫瑞CAE中的热应力分析被限定在稳态温度场产生的热应力。与其他常见的结构分析软件不同，紫瑞CAE的热应力分析虽然也是先求温度场后求热应力，但只须进行一次网格剖分。四、后处理功能一般情况下，一个复杂三维实体的剖分节点很多，而有限元分析结果又与节点

15、关联，每一个节点上未知量又很多，如果从输出结果文件中寻找用户关心的结果是一件既麻烦又乏味还耗时的事，所以工程数值分析软件一定要有实用的后处理功能。所谓后处理就是用图象或列表的方式，将分析结果按工程需要形象直观地显示出来。最直观的三维后处理显示方式是采用“云图”方式显示。云图显示只能反映物理场的大致情况，直观地显示最大位移或应力集中的部位。列表显示则可列出比较准确的分析结果。紫瑞CAE软件的后处理列表显示可以列出有限元模型中节点坐标及计算结果，可以按分析结果或节点坐标从大到小或从小到大排序。软件的后处理功能具有动态显示的功能，用动态显示功能可以观察到变形过程。后处理模块中还有许多其他可供选择的功

16、能，包括等值面显示、自动旋转、旋转、缩放、平移、剖面、叠加坐标系、叠加有限元网格、局部放大、单位制转换、变形比例选择等。后处理模块中，频率和对应的模态是同时被显示的。在非线性分析以及动力响应分析中增加了力学量随时间步的变化曲线显示以及力学量在用户选定的节点上随时间步的变化曲线功能。后处理中的设计检查（Design Check）功能机械设计中时常要进行所设计零件的强度校核检查。检查时往往根据某一种工程上采用的准则，以便探讨所设计的零件的安全裕度。这种准则不同行业有所不同。例如机械设计中常用的最大许用应力的概念，在检查时凡零件上小于或等于这个应力的部分被认为是安全的；否则被认为不安全，不安全部分安全系数小于1。紫瑞CAE后处理中可以进行这种设计检查。用户在后处理的位移显示或应力显示对话框右边设计检查栏目中的“门槛值”里键入检查设计所用的“标准”值后即可。届时云图中会显示各种颜色。小于等于“标准”值的是透明的，大于它的显示颜色。用户根据这种颜色划定的区域即可了解设计不合格的范围，并可根据色标查出它超出部分的量值。结