CAE介绍 | 从概念到应用全方位解析

曾经需要数月时间和大量资源才能完成的工程设计任务，如今在CAE技术的辅助下，不过是几个简单的步骤。CAE的出现不仅加速了产品设计和优化的进程，更为工程师们提供了更加精准的数据支持。CAE技术作为工程设计的得力助手，已经成为各行业必不可少的利器。其在仿真分析、设计优化和问题预测方面的强大功能，为企业节省了大量的时间和成本。

一、什么是CAE？

CAE（Computer Aided Engineering），即计算机辅助工程，是一项至关重要的技术软件。它以三维实体建模为基础，通过模拟产品在各种工作状态下的表现，如结构强度、热传导、刚度、运动学等，为产品设计提供科学依据。CAE的应用领域广泛，从汽车、航空航天到电子装备、国防军工等行业都有着重要的地位。

二、CAE技术的起源与发展

CAE技术的发展离不开计算机技术的进步。它起源于力学和航空航天领域，随着计算机的出现和发展，得以不断完善。早在20世纪初，库朗等数学家提出了偏微分方程的数值解法，为有限元法的雏形奠定了基础。随后，有限元法被引入工程实践，并迅速发展壮大，成为现代CAE技术的核心。

各种有限元软件如Nastran、Ansys、ABAQUS等相继问世，为工程设计提供了强大的工具支持。不仅如此，针对不同物理过程和控制方程的特点，还出现了诸如有限体积法、格子玻尔兹曼法、边界元法等多样化的数值算法，使得CAE技术得以在更多领域得到应用。

三、CAE的作用

· 增加设计功能与减少成本： 通过分析计算，确保产品设计合理性，降低设计成本。

· 缩短设计循环周期： CAE技术能够快速进行仿真分析，加快产品设计和优化过程。

· 替代物理样机验证设计： 虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性，避免传统实物样机验证带来的资源消耗。

· 采用优化设计： 通过找出最佳设计方案，降低材料消耗和成本。

· 预先发现问题： 在产品制造前，通过仿真分析发现潜在问题，提前解决，避免后期成本增加。

· 减少试验时间和经费： 模拟各种试验方案，降低实验成本和时间。

· 机械事故分析： 通过CAE技术进行事故分析，找出事故原因，提高产品安全性。

四、CAE在各工业领域中的应用

CAE技术已经广泛应用于各个工业领域，为产品设计和制造提供了强大支持。从汽车行业到船舶建造，从航空航天到能源电力，CAE技术无处不在。它不仅可以用于分析结构强度、疲劳、振动等问题，还可以用于流体力学仿真、电磁场分析等各种工程应用。通过CAE技术，工程师可以在设计阶段发现问题并进行修正，提高产品的性能和可靠性。

五、CAE发展趋势

· 融入制造业各个环节： CAE技术将进一步融入制造业的各个环节，成为提升创新创造能力的重要手段。

· 正向设计的重要性： 正向设计将成为工业自主创新的必经之路，CAE技术在其中将发挥关键作用。

· 构建数字孪生体： 基于CAE技术的数字孪生将成为工业技术发展的重要方向，实现对产品全生命周期的数字化仿真。

· 知识产权保护意识增强： CAE软件正版化将成为趋势，促进软件行业的健康可持续发展。

六、热门的CAE软件

1、Dassault System CATIA

CATIA简介

CATIA是Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM软件，源于1981年，是航空航天领域的领导者。其V4/V5版本覆盖UNIX和Windows平台，广泛应用于航空、汽车、造船、机械、电子、消费品行业。雇员数量从20人增长到2000多人，销售利润增长迅速，被全球13000多用户选择。



CATIA的应用领域

1.航空航天：CATIA在航空航天工业中应用广泛，为各种项目提供精确安全的设计和虚拟原型开发，包括波音777、阵风战斗机等。



2.汽车工业：作为汽车工业的标准，CATIA在车辆设计、造型风格、车身和引擎设计等方面发挥着重要作用，被世界顶尖汽车制造商所采用。



3.造船工业：CATIA为造船工业提供优秀的解决方案，包括船体设计、船载设备和机械解决方案，被诸如General Dynamics和Meyer Werft等船舶制造企业广泛采用。

4.厂房设计：CATIA与IBM合作开发了新一代解决方案，包括管道、装备、结构和自动化文档，为造船业、发电厂、加工厂等提供全面支持。

5.加工和装配：CATIA在机床工业中应用广泛，支持产品的精确制造和装配，被大型制造商如Staubli和Gidding &Lewis所采用。

6.消费品：全球各种规模的消费品公司信赖CATIA，用于设计和制造餐具、计算机、厨房设备等产品，其渲染工具和建模工具赋予产品新颖风格。

2、ABAQUS有限元分析软件

ABAQUS简介

ABAQUS是一款功能强大的有限元软件，涵盖线性至非线性分析范围。其单元库可模拟任意几何形状，材料模型库包含各种工程材料，如金属、橡胶、复合材料等。ABAQUS拥有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit，以及图形用户界面模块— ABAQUS/CAE。ABAQUS被广泛应用于结构、热传导、声学、岩土力学等领域。其强大的模拟能力和可靠性使其在工业和研究中得到广泛应用。



ABAQUS的应用

1.冲压成型应用：ABAQUS用于汽车车门设计的数字仿真，显著节约成本和时间。

2.加工成形过程中的模拟：ABAQUS采用显式动力学方法处理成形过程，可得到满意结果。

3.实际应用：普通油箱、钛合金板材、蒙拉成形、橡皮囊成形、钣金成形、弯管成形、圆锥管成形等加工成型过程的模拟，均在ABAQUS平台下完成，结果表明其能够处理非线性力学问题并获得满意结果。

4.应用领域：建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业等。


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