cadcae系统发展趋势与设计仿真一体化趋势

cadcae系统发展趋势与设计仿真一体化趋势

设计目标目标综合设计和分析是大多数3d公司追求的主要目标。中心思路是充分考虑产品在设计过程中的性能和优化，提高产品的质量和性能。一些重要概念和错误cad原理CAD,即计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD),其概念和内涵正在不断地发展中。1972年10月,国际信息处理联合会(IFIP)在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义:CAD是一种技术,其中人与计算机结合为一个问题求解组,紧密配合,发挥各自所长,从而使其工作优于每一方,并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。cae？创造、生产和制造内容上的“应用”产品的概念来自拉丁语“Producere”,其意义为创造、生产和制造内容上完全不同的应用;在企业经济的定义中,产品被视为成果集,它可以包含物质成果和非物质成果。用户期望、需要、动机、行为和技术最简单的关于设计的定义、就是一种“有目地的创作行为”。根据工业设计师VictorPapanek的定义,设计(Design)是为构建有意义的秩序而付出的有意识的直觉上的努力。更详细的定义如下:第一步:理解用户的期望、需要、动机,并理解业务、技术和行业上的需求和限制;第二步:将这些所知道的东西转化为对产品的规划(或者产品本身),使得产品的形式、内容和行为变得有用、能用和令人向往,并且在经济和技术上可行。(这是设计的意义和基本要求所在)。这个定义可以适用于设计的所有领域,尽管不同领域的关注点从形式、内容到行为上均有所不同。1978年诺贝尔经济学奖HerbertSimon发表著名文章对设计给出著名定义——设计就是找到一种行动方式,目的是把现状变成自己更喜欢的样子。cad/cae系统在设计分析一体化和设计中应用的误区(1)误区1:计算机辅助制图是CAD计算机辅助制图(ComputerAidedDrafting),简写为CAD,譬如我们熟知的AutoCAD辅助制图软件,几乎成了CAD的代名词。目前我国绝大数机械工程师都是二维或三维软件的使用者,他们最终都需要生成二维工程图纸。三维制图和二维制图最大的区别是直观性大为增强,但是本质上没有改变制图的地位。因此计算机辅助制图不是计算机辅助设计。(2)误区2:现代设计就是CAD从前面关于设计的定义,设计包含了人、知识、工具、环境等多方面的结合,因此CAD仅仅只是工具,利用适合设计者的工具可以帮助设计者更快、更好的进行设计。(3)误区3:CAE是有限元分析(FEA)(4)误区4:CAE独立于CAD从前面关于CAD的定义——CAD是工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称——来看,CAD中必须含有分析(CAE),也就是说面对设计,CAE是CAD的子集,缺少了CAE的CAD系统是不完整的计算机辅助设计系统。图1彻底揭示了计算机辅助制图、CAE和计算机辅助设计的真正内涵。现在几乎所有的CAD厂家都认识到CAE的重要性,都先后在CAD环境中加入了CAE,虽然功能有弱有强,但是都充分体现了设计分析一体化是CAD/CAE系统的发展方向。下面将具体论述设计分析一体化的CAD/CAE系统的将成为发展的必然。以设计为导向在制造型企业中CAE的目的优化和改进产品设计,因此分析应该无缝融入到设计过程中。因此,单一无缝的CAD/CAE界面是使用的基础。另外,仿真分析如何无缝的融入设计过程,减少设计人员使用CAE系统的难度也是目前发展的方向。仿真向导等技术精彩的体现了“以设计为导向”的先进思路。下面以SolidWorks的Simulation产品简单介绍,从SolidWorks2009开始,其著名的FEA软件COSMOSWorks改名为SolidWorksSimulation。其为了体现设计仿真一体化的解决方案,在无缝集成界面做了创造性的改变,将仿真界面和仿真流程无缝地融入到SolidWorks的设计过程中。SolidWorksSimulation的仿真向导,包含以下顾问向导:算例顾问(图2)、性能顾问(图3)、约束和载荷顾问、连接顾问和结果顾问。零件级别分析实际产品的运用环境非常复杂,因此仅进行零件级别的分析是远远不够的,因此必须进行系统及部件级的分析。但是系统及部件级的分析存在着相当的难度,下面分别论述。单元类型的划分以FEA为例,为了实现有价值的分析,设计的几何部件会需要不同的单元类型,实体、壳、梁和杆进行离散。而且,需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中连接关系的处理尤其重要,涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊和轴承等非常复杂的连接关系(图4)。多领域的问题任何一个产品决计不能仅考虑静强度,必须考虑多领域的问题,比如静强度、动强度、模态、疲劳和参数优化等。图5展示了在统一界面下产品的多领域分析。基于设计师的多段基热-结构、流体-结构和多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向,它可以解决非常复杂的工程问题(图6)。满足asme和其他领域的需求面对很多行业有很多特殊需求,因此需要特殊的CAE模块。例如,面对压力容器,需要符合ASME标准的压力容器校核工具(图7),面对电子和消费品领域,需要解决跌落分析的能力(图8)。高级分析需求面对日益复杂的使用环境,必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动和非线性动力学等高级分析的需求。制造与管理分析面向制造及管理的分析也是目前CAD环境下的一大趋势,例如,可制造性分析、公差分析和六西格玛设计分析等。混合装配体的未来技术目前CAD/CAE软件使用上越来越简单,但同时带来的矛盾是性能越来越差,如何提升性能与易用性之间的矛盾是目前的一大难题。因此,各CAD厂商分别推出了适合自己产品的新技术。如SolidWorks2009推出了划时代的SpeedPak技术解决了大型装配体设计、装配和工程图性能的问题。其CAE产品线更在大装配、多CPU/多核情况下FEA分析、运动学分析及CFD分析等方面做了极大改善(具体可参见本刊曾刊登的作者文章“SolidWorks2009性能详解”一文)。cae名词、概念及方法的应用如何使现有的CAD及CAE系统体现以人为本的思想,是目前发展的一大方向。因此在面向普通设计者时,对于深奥的CAE名词、概念及方法是必须摒弃的。用户在使用软件时必须站在设计者的角度组织CAE使用习惯,并考虑自动的上下关联智能操作。知识工程的重要应用设计及分析知识作为企业最宝贵的财富,如何继承、组织、归纳和继承知识是知识工程的一大应用领域。这里面涉及到分析库(图9)和PDM集成CAE技术等多方面的需求。cad/cae平台的开放性基于通用系统的专用平台是很多企业提高其使用能力和效率的方法,因此CAD/CAE平台的开放性是必须的,而且必须能支持最先进的.Net技术,并且能提供基于.Net的SDK开发包。图10为SolidWorks全产品线的开放性API。计算机仿真分析技术由于篇幅的关系,笔者无法更多地具体展开论述CAD/CAE系统设计仿真一体化的发展趋势。但可以肯定的是,以设计为导向,分析功能高级化、面向制造的分析、易用、高性能、人性化、智能化、知识工程和开放性等将成为设计仿真一体化趋势的典型特征。SolidWorks及其专业级的CAE分析产品线就是这种趋势最为典型的代表。CAE(ComputerAidedEngineering)计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景,建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面,CAE技术的应用,使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题,通过计算机数值模拟得到满意的解答;另一方面,计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化,使复杂的过程层次化,节省了大量的时间,避免了低水平重复的工作,使工程分析更快、更准确。其在产品的设计、分析和新产品的开发等方面发挥了重要作用,同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展,技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。CAE(ComputerAidedEngineering)计算机辅助工程,涉及到多学