仿真分析技术提升产品研发水平

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1、仿真分析技术提升产品研发水平——CAE技术在整个产品生命周期的作用及投入产出（ROI）分析一、CAE技术的变革与发展   当前，我国的制造企业大都采用了各种CAD/CAM软件进行产品设计和制造，基本上实现了“甩图板”，还有不少企业采用了三维CAD/CAM软件完成更高级的设计与制造工作，使产品的开发能力获得明显的增强。与之相比，CAE即计算机辅助仿真分析的作用似乎还没有被充分认识，在大多数企业，CAE的有限元分析计算只是配角，似乎可有可无。不少企业领导和产品开发人员也认为自己的产品大都是在原有产品基础上的改型，其尺寸、应力等没必要再做

2、复杂的计算，只要足够的保险系数就可以了。    应该说这是很明显的误解。事实上CAE仿真很早就在产品的设计开发方面发挥着不可替代的作用，并为企业提供了丰厚的效益。早在上世纪60年代初，美国NASA的宇航计划，就要求利用计算机进行仿真分析，以减少物理样机试验的次数，以提高运载火箭和卫星的可靠性、降低开发费用。到1991年，在美国“国家关键技术委员会”向美国国会和总统递交的报告中，“计算机仿真与建模”更被列为22项优先发展的关键技术之一；1992年，美国国防部国防研究与工程署提出了11项核心技术领域，“设计自动化”也是其中之一。计算机辅

3、助设计（CAD）是设计自动化和仿真分析的基础，设计师可以利用强大的图形绘制和三维造型功能，生成数字化的图形数据，其图面的清晰、准确、易于修改确实使产品开发水平提高了一大步。但关键的产品质量和性能问题，在CAD中却无法涉及，很多新产品及改型产品还只能通过多次的样机试验、设计修改来完成定型过程，要耗费大量的费用和时间。   CAE仿真分析正是解决这个问题的利器。一般情况下，CAE仿真主要完成工作包括：发现设计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素。CAE仿真分析，是利用成熟的数学、力学算法，将一个

4、连续的物理对象划分成多个离散而相互关联的对象，即有限元方法，根据给定的工况、边界条件，计算其各点的力、热、振动、声学等特性，最终得出分析结果。一般包括：静力学、应力/位移、模态、振动/固有频率、其他（热传递、非线性材料、屈曲、噪声、优化、动态响应）等部分。   最早研制的用于实际产品设计的商业软件恐怕是始于上世纪60年代美国NASA为完成登月计划而由MSC公司专门开发的分析程序了，它也就是后来闻名于世的NASTRAN分析软件。经过近40年的发展，MSC.Software公司到今天已经拥有了涵盖广泛的分析软件，如MSC.Marc及MS

5、C.Dytran及MSC.Fatigue等。这些分析软件，绝大多数是以有限元法作为分析的理论基础的，虽然后来也曾出现过一些特殊的、例如以边界元素法、等参元法和其他特殊理论为基础的分析软件，但时至今天，分析软件的种类已经日趋集中，而分析的功能则更加强大，不仅能够分析一般的静应力和动应力，而且可以分析温度场和温度应力、冲击应力等等。有些分析软件的功能已经扩大到电学和声学等领域。二、CAE仿真分析技术在产品生命周期中的作用   CAE仿真分析在整个产品生命周期都可以发挥重要作用，为企业创造巨大的效益。每一种产品从概念设计直到报废，都有一个

6、生命周期，如下图所示：   仿真分析在这个周期的各个阶段都可以创造效益，重点是在设计早期，在机床、工装、原材料准备等重大的投入之前，保证设计的正确性，避免浪费和失误，而且为制造、销售、后期支持服务等阶段提供良好的保证。1.概念设计阶段的仿真分析概念设计阶段，需要根据市场需求、产品功能、及商业考虑等进行产品规划、方案设计，CAE仿真分析可以为设计人员用来完成基础设计的验证、不同方案的比较，满足功能、性能方面的要求，并为企业领导层进行产品决策提供参考，回答是否能够在预定时间、预定成本等约束条件下开发出满足要求的产品的问题。2.详细设计阶

7、段的仿真分析在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计、直到图纸、材料、制造工艺等。CAE仿真分析在这个阶段的作用，就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由设计工程师和制造工艺师参与完成。3.试验阶段的仿真分析试验阶段是设计完成后的关键阶段。大多数企业都是先制造物理样机，投入试验，如果某些地方试验失败，则重新设计、重新制造、重新试验，如此反复，直到定型通过。显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程，既耗费时间，又极为昂贵。如果采用计算机

8、仿真分析，样机的数量和重新制造、重新试验的次数必然会减少。在数字样机的仿真试验中发现问题、修改设计，与物理样机相比，显然其成本降低很多。据统计，数字样机的开发方式能够减少一半以上的物理样机制造和试验，从而争取到更多的时间，节约大量的费