一體化的CAD/CAE系統(tǒng)發(fā)展趨勢

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: DS SolidWorks公司張俊胡其登來源: e-works
關(guān)鍵字: 設(shè)計 CAD/CAE SolidWorks 設(shè)計分析一體化 SolidWorks

本文從探討幾個看似簡單,但卻不被人真正了解,甚至容易誤解的概念入手。嘗試闡述了CAD的真正內(nèi)涵,進而探究了CAE與CAD之間的關(guān)系。論述了CAD/CAE系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢是實現(xiàn)設(shè)計仿真的一體化。提出了以設(shè)計為導(dǎo)向、分析功能高級化、面向制造的分析、易用且高性能、人性化加智能化、知識工程、開放性等將成為設(shè)計仿真一體化趨勢的典型表現(xiàn)。最后以SolidWorks及其專業(yè)級的CAE分析產(chǎn)品線為例進行了詳細的論述與論證。

1.前言

設(shè)計分析一體化是目前所有CAD公司追求的一個主要目標(biāo),其核心意圖就是為了實現(xiàn)在設(shè)計過程中,充分考慮產(chǎn)品的性能和優(yōu)化,提升產(chǎn)品質(zhì)量和改善產(chǎn)品性能。

2.幾個重要概念及其誤區(qū)

a)什么是CAD?

CAD,即計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD),其概念和內(nèi)涵正在不斷地發(fā)展中。1972年10月,國際信息處理聯(lián)合會(IFIP)在荷蘭召開的“關(guān)于CAD原理的工作會議”上給出如下定義:CAD是一種技術(shù),其中人與計算機結(jié)合為一個問題求解組,緊密配合,發(fā)揮各自所長,從而使其工作優(yōu)于每一方,并為應(yīng)用多學(xué)科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。CAD是工程技術(shù)人員以計算機為工具,對產(chǎn)品和工程進行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。

b)什么是CAE?

CAE(Computer Aided Engineering)計算機輔助工程的特點是以工程和科學(xué)問題為背景,建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面,CAE技術(shù)的應(yīng)用,使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題,通過計算機數(shù)值模擬得到滿意的解答;另一方面,計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化,使復(fù)雜的過程層次化,節(jié)省了大量的時間,避免了低水平重復(fù)的工作,使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用,同時CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展,技術(shù)的發(fā)展又推動了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進步。

c)什么是設(shè)計(Design)

    最簡單的關(guān)于設(shè)計的定義、就是一種“有目地的創(chuàng)作行為”。

    根據(jù)工業(yè)設(shè)計師 Victor Papanek 的定義,設(shè)計(design)是為構(gòu)建有意義的秩序而付出的有意識的直覺上的努力。更詳細的定義如下:

    第一步:理解用戶的期望、需要、動機,并理解業(yè)務(wù)、技術(shù)和行業(yè)上的需求和限制;

第二步:將這些所知道的東西轉(zhuǎn)化為對產(chǎn)品的規(guī)劃(或者產(chǎn)品本身),使得產(chǎn)品的形式、內(nèi)容和行為變得有用、能用,令人向往,并且在經(jīng)濟和技術(shù)上可行。(這是設(shè)計的意義和基本要求所在)

    這個定義可以適用于設(shè)計的所有領(lǐng)域,盡管不同領(lǐng)域的關(guān)注點從形式、內(nèi)容到行為上均有所不同。

    1978年諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎 Herbert Simon 發(fā)表著名文章對設(shè)計給出著名定義“設(shè)計就是找到一種行動方式 ,目的是把現(xiàn)狀變成自己更喜歡的樣子 ”

    d)幾個誤區(qū):

i.誤區(qū)1 計算機輔助制圖是CAD

計算機輔助制圖(Computer Aided Drafting),簡寫為CAD,譬如我們熟知的AutoCAD輔助制圖軟件,幾乎成了CAD的代名詞。目前我國絕大數(shù)機械工程師都是二維或三維軟件的使用者,他們最終都需要生成二維工程圖紙。三維制圖和二維制圖最大的區(qū)別是直觀性大為增強,但是本質(zhì)上沒有改變制圖的地位。因此計算機輔助制圖不是計算機輔助設(shè)計。

    ii.誤區(qū)2 現(xiàn)代設(shè)計就是CAD

從前面關(guān)于設(shè)計的定義,設(shè)計包含了人、知識、工具、環(huán)境等多方面的結(jié)合,因此CAD僅僅只是工具,利用適合設(shè)計者的工具可以幫助設(shè)計者更快、更好的進行設(shè)計。

    iii.CAE是有限元分析(FEA)

CAE(Computer Aided Engineering)計算機輔助工程,涉及到多學(xué)科的問題,針對不同的學(xué)科,產(chǎn)生了各種仿真分析的數(shù)學(xué)工具。如FEA(有限元分析),多體動力學(xué),CFD(計算流體力學(xué)),有限差分法,邊界元法,無網(wǎng)格法,加權(quán)余量法等等。他們針對不同的領(lǐng)域,各具優(yōu)勢。如FEA適合解決結(jié)構(gòu)的強度、剛度、疲勞等問題;多體動力學(xué)適合解決多剛體系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)特性;CFD適合解決流體的流動和熱問題;因此FEA僅僅是CAE的一個領(lǐng)域。

    iv.誤區(qū)3 CAE獨立于CAD

從前面關(guān)于CAD的定義“ CAD是工程技術(shù)人員以計算機為工具,對產(chǎn)品和工程進行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。”CAD中必須含有分析(CAE),也就是說面對設(shè)計,CAE是CAD的子集,缺少了CAE的CAD系統(tǒng)是不完整的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。

下圖徹底揭示了計算機輔助制圖、CAE和計算機輔助設(shè)計的真正內(nèi)涵。

現(xiàn)在幾乎所有的CAD廠家都認識到CAE的重要性,都先后在CAD環(huán)境中加入了CAE,雖然功能有弱有強,但是都充分體現(xiàn)了設(shè)計分析一體化是CAD/CAE系統(tǒng)的發(fā)展方向。下面將具體論述設(shè)計分析一體化的CAD/CAE系統(tǒng)的將成為發(fā)展的必然。
    一體化的CAD/CAE系統(tǒng)發(fā)展趨勢solidworks simulation分析案例圖片1
3.以設(shè)計為導(dǎo)向

在制造型企業(yè)中CAE的目的優(yōu)化和改進產(chǎn)品設(shè)計,因此分析應(yīng)該無縫融入到設(shè)計過程中。因此,單一無縫的CAD/CAE界面是使用的基礎(chǔ)。另外,仿真分析如何無縫的融入設(shè)計過程,減少設(shè)計人員使用CAE系統(tǒng)的難度也是目前發(fā)展的方向。仿真向?qū)У燃夹g(shù)精彩的體現(xiàn)了“以設(shè)計為導(dǎo)向”的先進思路。

下面以SolidWorks的Simulation產(chǎn)品簡單介紹,從SolidWorks2009開始,其著名的FEA軟件COSMOSWorks改名為SolidWorks Simulation。其為了體現(xiàn)設(shè)計仿真一體化的解決方案,在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變,將仿真界面,仿真流程無縫融入到SolidWorks的設(shè)計過程中。

SolidWorks Simulation的仿真向?qū)?包含以下顧問向?qū)?算例顧問(圖2)、性能顧問(圖 3)、約束和載荷顧問、連接顧問、結(jié)果顧問

一體化的CAD/CAE系統(tǒng)發(fā)展趨勢solidworks simulation分析案例圖片2

圖2算例顧問圖3性能顧問

4.分析功能高級化;

    實際產(chǎn)品的運用環(huán)境非常復(fù)雜,因此僅進行零件級別的分析是遠遠不夠的,因此必須進行系統(tǒng)及部件級的分析。但是系統(tǒng)及部件級的分析存在著相當(dāng)?shù)碾y度,下面分別論述。

    a)系統(tǒng)及部件級分析

以FEA為例,為了實現(xiàn)有價值的分析,設(shè)計的幾何部件會需要不同的單元類型,實體、殼、梁、桿進行離散。而且需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。

    其中連接關(guān)系的處理尤其重要,涉及到螺栓連接、銷釘連接、彈簧、點焊、軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系(圖4)。
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    圖4 面向設(shè)計者及分析專家的裝配體連接關(guān)系

    b)多領(lǐng)域的全面分析

    任何一個產(chǎn)品決計不能僅考慮靜強度,必須考慮多領(lǐng)域的問題,比如靜強度、動強度、模態(tài)、疲勞、參數(shù)優(yōu)化等。圖5展示了在統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析。
    一體化的CAD/CAE系統(tǒng)發(fā)展趨勢solidworks simulation分析案例圖片4
    圖5統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析圖6 面向設(shè)計者的多場耦合分析

    c)面向設(shè)計者的多場耦合

    熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)、多體動力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場分析是目前分析中的一個重要發(fā)展方向,他可以解決非常復(fù)雜的工程問題(圖6)。

    d)特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求

    面對很多行業(yè)有很多特殊需求,因此需要特殊的CAE模塊。例如面對壓力容器,需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具(圖7);面對電子和消費品領(lǐng)域,需要解決跌落分析的能力(圖8)。
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    圖7壓力容器應(yīng)力線性化圖8 望遠鏡跌落分析

    e)高級分析需求

    面對日益復(fù)雜的使用環(huán)境,必須考慮復(fù)合材料、材料非線性、高級機械振動、非線性動力學(xué)等高級分析的需求。

5.面向制造的分析

    面向制造的分析也是目前CAD環(huán)境下的一大趨勢,例如可制造性分析、公差分析等。

6.易用與性能的矛盾

目前CAD/CAE軟件使用上越來越簡單,但是同時帶來的矛盾是性能越來越差,如何提升性能與易用性之間的矛盾是目前的一大難題。因此各CAD廠商分別推出了適合自己產(chǎn)品的新技術(shù)。如SolidWorks2009推出了劃時代的SpeedPak技術(shù)解決了大型裝配體設(shè)計、裝配和工程圖性能的問題。其CAE產(chǎn)品線更在大裝配、多CPU/多核等的FEA分析、運動學(xué)及CFD做了極大改善。可參見筆者的文章“SolidWorks 2009性能詳解”。

7.人性化及智能性

如何使現(xiàn)有的CAD及CAE系統(tǒng)體現(xiàn)以人為本的思想,是目前發(fā)展的一大方向。因此在面向普通設(shè)計者時,對于深奧的CAE名詞、概念及方法是必須摒棄的。

    因此在使用時必須站在設(shè)計者的角度組織CAE使用習(xí)慣及考慮自動的上下關(guān)聯(lián)智能操作。

8.知識工程
設(shè)計及分析知識作為企業(yè)最寶貴的財富,如何繼承、組織、歸納和繼承知識是知識工程的一大應(yīng)用領(lǐng)域。這里面涉及到分析庫(圖9)、及PDM集成CAE技術(shù)等多方面的需求。
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    圖9 集成在設(shè)計環(huán)境中的分析庫圖10 全產(chǎn)品線的開放性

9.開放性

基于通用系統(tǒng)的專用平臺是很多企業(yè)提高其使用能力和效率的方法,因此CAD/CAE平臺的開放性是必須的,而且必須能支持最先進的.Net技術(shù),并且能提供基于.Net的SDK開發(fā)包。圖10為SolidWorks全產(chǎn)品線的開放性API。

10.總結(jié)

由于篇幅的關(guān)系,筆者無法更多地具體展開論述CAD/CAE系統(tǒng)設(shè)計仿真一體化的發(fā)展趨勢。但可以肯定的是以設(shè)計為導(dǎo)向、分析功能高級化、面向制造的分析、易用且高性能、人性化及智能化、知識工程、開放性等將成為設(shè)計仿真一體化趨勢的典型特征。SolidWorks及其專業(yè)級的CAE分析產(chǎn)品線就是這種趨勢最為典型的代表。

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