作为20世纪中期兴起技术手段,有限元技术计算机技术迅猛发 展,到了飞速发展和广泛应用。基于有限元技术,已经国际上形成了数百亿规模市场,而主要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专业分析软件则不胜枚举。
有限元技术发展,国内原有有限元应用体系正发生着深刻变化。早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有限元技术研究、开发、应用体系。早期北大袁明武老师应用SAP,当时国内引起了广泛影响。此背景下,国内学者相继开发了多套有限元程序,例如大连理工JIFEX、郑州机械研究所紫瑞、北京农机学院有限元分析系统,以及计算所梁国平老师FEPG。而这些软件各自一些原因,国内产生了一定影响,但都没能企业界到广泛应用。90年代国外大型商业软件进入国门,掀起了第二次有限元应用浪潮。国内高校有限元技术方面具备一定研发和应用基础,成应用初期阶段主力军。
近几年来,数字化产品设计概念逐渐深入人心,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,第三次有限元技术应用浪潮正形成。值注意是,有限元技术不再仅仅停留高校中,更多走向了企业。同时,更多使用方便、操作简单专用分析软件也到了广泛应用。
二、应用状况
目前,CAE软件国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业,汽车行业应用尤为广泛。软件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。汽车行业国外是有限元软件主要应用行业,其所涉及专业领域相当广泛,应用历史长、应用成熟度高。
目前,国内常见前后处理软件包括Altair公司HyperMesh、EDS公司FEMAP和MSC公司Patran,这些软件美国汽车厂商中都有着广泛应用。有限元技术特点,使前处理成一个相对独立,而又十分重要部分。一些大型企业都采用了适应自己需求前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好接口,可与众多有限元求解软件相结合,用户更快、更方便解算问题。
求解软件可以说是琳琅满目,通常求解软件包括:ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。这些软件都有着各自特点,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都线性分析方面具有自己优势,而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则非线性分析方面各具特点,其中ABAQUS被认为是最优秀非线性求解软件。
近年来,分析软件正朝着多物理场方向发展。大家可以业内一些公司举动感受到这一点,例如,ANSYS公司收购CFX流体软件,并加强与EMSS公司合作,不断加强其多物理场耦合功能。这里需要提到是,历史原因,ALGOR继承了SAP模块化思想,多物理场分析方面也有很好应用;同源于SAPADINA流固耦合上则非常有特色。解算多物理场问题更多是从物理方程出发,另外还有一些软件这方面有着良好应用,比如MathWorks公司数值计算软件MATLAB基础上发展起来FEMLAB,又如国内飞箭公司针对微分方程FEPG系统。
此外,专用有限元软件受其应用领域限制,只能各自行业领域到应用。例如,MAGMA公司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、温度及热平衡仿真分析。工程师可计算结果更改设计,调整帽口位置和数量,进而提高铸造质量。又如,法国ESI公司ProCAST,其与MAGMA是竞争关系,软件功能与MAGMA大同小异。另外还有锻造领域应用比较多Deform系统,也到了国内很多企业认可。
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,其运算速度同行业内相对较快。MSC/DYTRAN,其特有材料流动性分析可直观预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶形成等。另外,来自ETA公司DYNAFORM可以预测成形过程中板料破裂、起皱、减薄、划痕和回弹,评估板料成形性能,为板料成形工艺及模具设计提供帮助。这一类分析工作与模具设计有着非常大关联,以上这些软件都注重与CAD软件接口,基本都与流行三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好接口,软件使用操作也都比较方便。
另外,汽车行业应用中,经常要对整车进行机械动力学仿真,这一领域中,国内常见软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性动态仿真。ADAMS中TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用,以准确建立轮胎动力学模型。ADAMS中CAR模块专为汽车动力学仿真而设计,使用十分方便。另外国内应用比较广泛还有美国ETA公司VPG,VPG(Virtual Proving Ground)虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验,LD-DANA平台上开发,是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出专门应用于汽车工程软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中重点--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公司噪音分析软件SYSNOISE,MSC公司疲劳分析软件MSC/Fatigue,nCode公司Fatigue,奥利MAGMA公司热疲劳分析软件FEMFT等。
三、应用展望
下面笔者将一般产品设计流程,不同设计阶段,将上文提到软件对号入座,帮助读者取比较感性认识。
1.概念设计阶段
这一阶段主要有三个方面内容。
1)市场调研;
2)技术设计,包括各种方案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、带有一定目标性预演,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
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,确定彼此间装配关系,评估产品性能(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CAE软件,用最少时间完成评估工作。这类软件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等,这些软件有着良好数据接口和网格自动生成功能,使用方便、快捷,对使用者要求较低。该阶段尾期,也可以用一些非线性求解器做进一步验证。
3.样机制造阶段
详细设计提供模型或数据完成试验样机加工制造。该阶段是生产阶段,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评价,为设计更改和产品生产提供可靠依据。该阶段,主要使用一些非线性分析功能强软件,以及一些多场耦合软件,如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。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,来最终评估整装后产品性能。
四、应用建议
综上所述,国内市场上CAE软件非常丰富,企业采购软件需要自己实际情况。发展初期阶段,各方面条件还不太完善,资金经费相对较为紧张,不可能面面俱到,一次引进所有应用系统,应有计划、有目标、分阶段引进。
软件引进一定要具体情况量力而行,减少盲目性。产品开发初期阶段,采购软件实际上是解决生产问题,并为紧接着设计改型作前期准备,该阶段可以找一些项目咨询公司合作开发,以减少前期投入。
先进分析设计软件开发设计一个必要手段,最为关键因素人。凡是一流企业无不拥有一只具有丰富实践经验、学科齐全、富有挑战和创造意识人才队伍。软件好买,人才难寻。引进技术同时,就要注重人才培养,可消化吸收,实际设计生产中锻炼队伍,另国内外广招人才,既可将有经验人才引进来,也可将企业人才送出去,学习经验技术,用人政策上加大倾斜力度。
总之,引进现成技术也好,合资合作也好,归根结底是要借鉴别人先进技术成果,尽早转变为自己东西。否则只能跟别人后面跑,永远成不了大器,更谈不上发展自己民族产业。
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