CAE有限元软件在制造业的应用现状与展望分析

 一、引言

 CAE（计算机辅助工程分析）主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。由于目前在国内有限元法应用最为广泛，故此在这里主要介绍有限元类软件在国内的应用，其他一些软件不做过多的阐述。

 作为20世纪中期兴起的技术手段，有限元技术随着计算机技术的迅猛发展，得到了飞速的发展和广泛的应用。基于有限元技术，已经在国际上形成了数百亿规模的市场，而主要的有限元厂商则包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的专业分析软件则不胜枚举。

 随着有限元技术的发展，国内原有的有限元应用体系正在发生着深刻的变化。早在80年代初期，国内就已经形成了一批以高校和研究院所为重点的有限元技术研究、开发、应用体系。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年cae项目经验的高科技企业，公司代理国外多款着名cae软件，并提供软件的销售与培训业务，另研发出多款行业cae通用软件，并秉承以最高质量的产品和最高质量的服务满足客户的各种需求的服务理念，致力于为客户提供一站式cae整体解决方案，目前已为全国超过500家企业提供cae分析服务。如需购买cae软件或咨询服务请咨询在线客服QQ：2039363860/4006046636。

 近几年来，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大企业所认可，第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技术不再仅仅停留在高校中，而是更多的走向了企业。同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。

 二、应用状况

 目前，CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业，在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。

 目前，国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，这些软件在美国的汽车www.featech.com.cn厂商中都有着广泛的应用。由于有限元技术的特点，使得前处理成为了一个相对独立，而又十分重要的部分。一些大型企业都采用了适应自己需求的前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好的接口，可与众多的有限元求解软件相结合，以便用户更快、更方便地解算问题。

 求解软件可以说是琳琅满目，通常的求解软件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。这些软件都有着各自的特点，在行业内，一般将其分为线性分析软件和非线性软件，例如ANSYS、ALGOR都在线性分析方面具有自己的优势，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则在非线性分析方面各具特点，其中ABAQUS被认为是最优秀的非线性求解软件。

 近年来，分析软件正朝着多物理场的方向发展。大家可以通过业内一些公司的举动感受到这一点，例如，ANSYS公司收购CFX流体软件，并加强与EMSS公司的合作，不断加强其多物理场耦合的功能。在这里需要提到的是，由于历史原因，ALGOR继承了SAP的模块化思想，在多物理场分析方面也有很好的应用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发，因此另外还有一些软件在这方面有着良好的应用，比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB，又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。

 此外，专用有限元软件受其应用领域的限制，只能在各自的行业领域得到应用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件，可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，进而提高铸造质量。又如，法国ESI公司的ProCAST，其与MAGMA是竞争关系，软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统，www.featech.com.cn也得到了国内很多企业的认可。

 在板材成型行业里，有AUTOFORM系列软件，该软件单元架构基于膜单元形式，因此其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外，来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联，因此以上这些软件都注重与CAD软件的接口，基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口，软件的使用操作也都比较方便。

 另外，在汽车行业应用中，经常要对整车进行机械动力学仿真，在这一领域中，国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块专为汽车动力学仿真而设计，使用十分方便。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG，VPG（VirtualProvingGround）虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验，在LD-DANA平台上开发的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的专门应用于汽车工程的软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中的重点——整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题。

 另外市场上还有一些专业软件，例如，LMS公司的噪音分析软件SYSNOISE，MSC公司的疲劳分析软件MSC/Fatigue，nCode公司的Fatigue，奥地利MAGMA公司的热疲劳分析软件FEMFT等。

 三、应用展望

 下面有限元科技小编将按照一般的产品设计流程，在不同的设计阶段，将上文提到的软件对号入座，帮助读者取得比较感性的认识。

 1、概念设计阶段

 这一阶段主要有三个方面的内容。

 （1）市场调研；

 （2）技术设计，包括各种方案的计算机效果模拟和分析仿真论证；

 （3）评估、准备相关生产设施。

 这一阶段主要进行较为详细的、带有一定目标性的预演，大企业可以利用一些大型通用非线性CAE软件来帮助制定方案，比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企业可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等软件完成这部分工作。

 2、详细设计阶段

 在概念设计完成以后，紧接着就是详细设计。这一阶段要绘制各种零部件图样，确定彼此间的装配关系，评估产品的性能(结构强度、刚度、动力特性和生产性等)。

 该阶段需要操作简单、使用方便的CAE软件，以便用最少的时间完成评估工作。这类软件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等，这些软件有着良好的数据接口和网格自动生成功能，使用方便、快捷，对使用者的要求较低。在该阶段的尾期，也可以用一些非线性求解器做进一步的验证。

 3、样机制造阶段

 根据详细设计提供的模型或数据完成试验样机的加工制造。该阶段是生产阶段，所以较少使用CAE软件，但可以用一些专业软件，如铸造分析软件、板料成形软件来指导生产。

 4、产品测试评估阶段

 这一阶段主要是利用各种测试和评估手段对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性做出全面真实的评价，从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。在该阶段，主要使用一些非线性分析功能强的软件，以及一些多场耦合软件，如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此阶段还可以使用一些机械动力学仿真软件、疲劳分析软件，来最终评估整装后的产品性能。

 四、应用建议

 综上所述，国内市场上的CAE软件非常丰富，企业采购软件需要根据自己的实际情况。在发展的初期阶段，由于各方面条件还不太完善，资金经费相对较为紧张，因此不可能面面俱到，一次引进所有的应用系统，应有计划、有目标、分阶段地引进。

 本文出自深圳有限元科技有限公司官网：www.featech.com.cn 转载请注明