计算机辅助工程分析技术及其应用
一、概 述
长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行。由于有许多的简化条件，因而计算精度很低。为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求。20年来，伴随着计算机技术的发展，出现了计算机辅助工程分析这一新兴学科（Computer Aided Engineering）。采用CAE技术，即使在进行复杂的工程分析时也无须作很多简化，并且计算速度快、精度高。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应力、变形等的结构分析。下面介绍利用有限元法进行结构应力、变形等分析的方法。
计算机辅助工程（CAE)，从字面上讲它包括工程和信息化,制造业信息化 target=_blank>制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的可用性与可靠性。
工程师进行创新设计的重要手段和工具
工程和制造企业的生命力在于工程/产品的创新，而对于工程师来说，实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要的技术手段，就是采用先进可靠的CAE软件.
科学家进行创新研究的重要手段
科学计算是现代科学家进行科学和技术研究的三大手段之一。它可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律。同时，它也是工程科学家的研究成果–理论、方法和科学数据–的归属之一，做成软件和数据库，成为推动工程和社会进步的最新生产力。
CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。
CAE软件分类
针对特定类型的工程/产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化计算的软件，称为专用CAE软件。可以对多种类型的工程/产品的工程行为进行计算分析，模拟仿真，性能预测、评价与优化的软件，称为通用CAE软件。通用CAE软件主要由有限元软件、优化设计软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最优控制软件和其它专业性的计算软件组成。CAE技术已经成熟，CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决。CAE与CAD / CAM／CAPP／PDM / ERP软件一起，已经成为企业家和工程师们实现工程/产品创新的得力助手和有效工具。同时，也已成为专家、教授进行研究重要手段。CAE与CAD／CAM／CAPP／PDM／ERP一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要技术，它们已经在提高工程/产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。其发展趋势有：扩充CAE功能，实现多结构耦合分析，实现多物理场耦合分析，多尺度耦合分析，以及结构、构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真。基于Internet/Intranet => Grid Computing 的、CAD／CAE／CAM /CAPP／PDM / ERP的集成化、网络化、智能化。
二、有限简介（Finite Element Method）
有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。
有限元方法是60年代以来发展起来的新的数值计算方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。
有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。对于一个应用工程师来说，他的目的是应用有限元方法去求解各种工程问题，目前市场上各种功能强大的有限元程序包很多，这些程序包使用方便，也不需要对有限元法进行很深入的了解，即可应用这些程序求解工程问题。因此，对于一般的工程技术人员来说，只需要花很少的时间了解一些有限元的基本知识即可，不需要对它的理论背景作更深入的研究。
在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象的不同，采用的单元类型也不同，常见的有以下几种单元：
①杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿轴线的坐标确定。
②板单元，这类单元内任意点的变形和应力由XY两个坐标确定，这是应用最广泛的基本单元，有三角形单元和矩形板单元。
③多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。
④薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。
三、有限元中的前后置处理
影响有限元法在实践中应用的主要因素是有限元前、后置处理功能强大与否。有限元的前置处理包括：选择所采用的单元类型，单元的划分，确定各节点和单元的编号及坐标，确定载荷类型、边界条件、材料性质等。这些工作不但繁琐、费时，也容易产生错误。所以，一个好的有限元分析程序应能够自动地或在人的控制下完成这些工作。其中最重要的是网格划分，在划分完网格后，应将结果显示出来，以供操作者检查其正确性。如果操作者认为有必要修改，系统应能够提供修改功能，并能对修改后的网格划分的有效性进行检查，指出错误所在。有时，有限元分析的工程师不知道如何确定单元类型，这就要求前置处理程序能够根据零件的状况自动选择单元类型。在进行有限元网格划分时，网格划分的密度是个重要的问题，太密则会大大增加计算时间，但计算精度却不会成比例地增加。因此，存在一个最佳网格密度问题，这个问题往往需要多年工作经验的积累。如果前置处理程序能够自动确定网格密度，对节省机时的意义非常大。另外，在网格划分时，对应力集中采用局部网格加密的办法是十分必要的。在有限元分析结束后，由于节点数目非常多，输出的数据量大得惊人。如果靠人工来分析这些数据，不仅工作量巨大，容易出错，而且也很不直观。所以，一个优秀的有限元分析程序都有一个后置处理器来自动处理分析结果，并根据操作者的要求以各种方式将结果显示出来。例如，它可以显示在载荷作用下零件的变形，零件各部分的应力、应变或温度场的分布等情况。因此，在选择有限元分析软件时，不仅要看它具有的分析功能，能处理的单元类型，能处理的材料特征，更重要的是看它的前后置处理的功能是否强大，方便好用。
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