CAE技术在机械设计领域中的应用现状及发展趋势

刘鸿莉 张轶 刘军

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.004

摘 要：CAE技术在机械设计领域中占有举足轻重的地位，是缩短产品生命周期，提高产品创新能力的关键技术，是提高企业市场竞争力的重要手段。为了使CAE技术在机械设计领域充分发挥作用，该文对CAE在机械产品开发流程中的地位及应用状况进行了说明，分析了CAE应用过程中出现的问题和原因，提出了改善对策，探索了CAE的发展方向。

关键词：CAE技术 机械设计 产品开发流程

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0004-04

CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴的多学科交叉技术。CAE源于Computer Aided Engineering的中文翻译，泛指用计算机辅助分析、计算和仿真在内的一切研发活动，其核心是基于计算力学的有限元分析技术[1，2]。

21世纪是信息时代，随着计算机技术的高速发展，CAE技术取得了长足进步，作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。以美国福特汽车为例，在2000年引用CAE技术之后，与20世纪90年代初期相比较，新车的开发周期由原来的36个月降低为12～18个月，开发后期设计修改率减少50%，原型车制造和实验成本减少50%，投资收益提高50%[3]。丰田和马自达等主流汽车也从CAE的应用中大大受益，减少了实机测试的次数和成本，缩短了开发周期，使投资收益大大提高。CAE技术在其他的机械设计领域中也发挥了作用，目前，航空航天、医疗器械、重工机械等行业对CAE技术的应用都非常重视，CAE在产品设计的质量、寿命、性能和成本等方面发挥的作用已经无可替代。可以说，CAE技术的应用程度已经成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志，以美国为首的发达国家甚至将CAE技术作为“事关国家竞争力和国家安全的战略技术”。

1 CAE技术在开发流程中的应用状况

在CAE技术没有被产品开发利用之前，传统的产品开发流程是一个由设计者主导，辅助CAD工具，进行反复设计的过程。设计者完成产品的设计后，提交制造部门进行生产，然后对样机进行实机测试。如果产品的功能不满足设计要求，就重新设计，再试做，如此循环，直到全部满足设计要求为止。这是一个周期长、耗费高的过程，已经不能满足现代产品开发周期的要求。

随着各种数值分析方法及力学理论的不断发展与完善，加之高速、大容量计算机的出现与推广，使高精度、大规模计算成为可能，从而推动了CAE技术的飞速发展。产品设计由原来的实机验证转变为CAE驱动的设计过程。现代产品设计中，CAD完成初步设计后，首先进行基于CAD模型的产品功能CAE虚拟试验，对产品的强度、刚度等工作性能进行仿真，如果不满足设计要求，就重新设计，直到功能全部满足设计要求，再进行试做。这样的设计流程，大大缩短了实物试验的周期，降低了试验成本。

传统的开发流程与CAE驱动的开发流程如图1、图2所示。

由图2可以看出，CAE虚拟仿真技术已经在开发流程的各个阶段得到了应用。概念设计阶段要借助CAE技术进行评估；设计阶段利用CAE技术进行反复的设计优化；实机测试前，要借助CAE工具进行整机的虚拟仿真。在CAE驱动的开发流程中，因为CAE的虚拟仿真技术，使产品的生产周期大大减少，生产成本大大降低。在CAE技术应用最多的汽车、船舶和重工行业中，CAE技术的应用场合已经被明确写入了产品开发流程中，通过开发流程被定义下来[4]。因此，从某种程度上讲，CAE技术在开发流程中已经发挥了引领开发的作用。美国AVL公司用实践结果证明，在产品开发过程中，越早引入CAE技术，企业受益越大[5]。

2 CAE技术在机械设计中的应用领域

随着CAE技术的不断发展，使其在机械设计领域中的重要地位得到了业内的充分认可。CAE技术与CAD技术并行成为机械设计的必备工具[6]。世界上最大的CAE软件公司美国ANSYS公司在中国用户大会上提出：做不做仿真已经不是问题，问题是如何做仿真。

目前，CAE技术已经被广泛应用于机械、电器等产品的设计中，特别是汽车、航空航天、船舶、医疗器械等行业。CAE的应用类型包括：强度分析、刚度分析、疲劳分析、碰撞分析、多体动力学分析、热分析、噪音分析、电磁场分析、模具成型分析等等。下面以CAE技术应用最为广泛的汽车行业为例简要说明CAE在机械设计中的应用领域[7]。

汽车中的CAE技术包括两大类，汽车设计CAE技术和汽车制造CAE技术。

汽车设计CAE技术主要指结构、疲劳、振动和碰撞分析。分析内容包含整车、子系统，零部件的模态、刚度、强度和疲劳分析，车内的噪声分析，以及受到发动机、路面等激励时的频率响应分析。碰撞分析中不仅对高速正面冲撞进行模拟分析，还对来自汽车侧面、后面、顶部的冲撞现象以及强度部件对冲击能量的吸收量、冲撞变形、人体在冲击下的二次碰撞进行分析。

汽车制造CAE技术与设计CAE技术是一个有机系统，相互促进。制造CAE是对汽车制造过程的金属流动和温度变化的分析。例如冲压成形分析、锻造分析、铸造分析、塑料成形分析等。通过CAE仿真，预测金属成形过程中可能出现缺陷的位置，分析缺陷发生的原因，制定改善对策，从而达到预防实机制作时缺陷发生的目的。

3 CAE技术应用中的问题和对策

CAE技术在机械设计领域中的地位已经得到了认可，但是在CAE的应用深度和广度上还存在很多问题。各个行业间的差距比较大，发展中国家与发达国家的差距也很大。

3.1 存在的问题点

（1）国内CAE技术应用相对国外发达国家的CAE技术应用较为落后。国内的一些企业尽管引进了CAE系统，但是并没有充分发挥CAE的作用，对CAE技术的深度和广度理解不足。不知道CAE可以解决哪些问题，不能充分利用CAE技术去有效地解决问题。

（2）国内很多企业对CAE技术重视度不够，CAE人员流失严重。由于CAD技术早于CAE技术进入中国市场，因此产生了先入为主的历史遗留问题，很多企业中出现重设计，轻分析的现象，认为设计做得好，仿真就可以不做了，仿真可有可无。因此CAE人员工作积极性不高，流失严重，很难在CAE领域进行深入探索研究。

（3）缺乏完善的CAE行业规范。目前已经有很多企业尝试着做本企业的CAE标准，但是在CAE领域并没有形成统一的仿真规范。这样会导致不同的企业之间，不同的分析人员之间，得到的仿真结果不同，缺乏可比性，也不利于CAE技术领域的整体提高。

3.2 改善对策

（1）提高对CAE技术的理解和认识。企业要定期派技术主管参加技术创新联盟、CAE软件发布会等相关的技术交流会，及时捕捉CAE技术的发展现状和国内外知名企业的利用情况，充分理解CAE的功能和局限性。CAE的目的是通过仿真，使设计缺陷提早表现出来，从而使设计者对可能发生的设计缺陷进行改善，实现优化设计，避免缺陷发生，减少实机测试的时间和测试成本。并不是说有了CAE技术就不用实机测试了，这也是CAE仿真的局限性。CAE技术是减少试验的次数，而不是完全的代替试验，试验是为了验证CAE的准确度，二者相辅相成。

（2）企业要对CAE人员的工作给与肯定和重视，加快CAE团队的建设。企业领导要认识到CAE的作用和难度，特别是后者，CAE的应用能力不是有了软件就立竿见影的，要想充分发挥CAE的作用，需要的是既有必要的理论知识，又要有一定的工程实践经验的CAE工程师。CAE技术需要长期的工作经验和技术积累，只有企业领导充分认视到CAE的作用，对CAE技术人员给与充分重视和关怀，才能确保人才的成长和稳定，从而提高企业CAE的技术水平。

（3）要逐渐建立健全CAE业内的规范及评价标准。目前，CAE的可靠性在企业中是通过实机测试来检证的，因为缺少行业内的评价标准，在很多企业中，CAE的分析结果是不能被设计人员直接引用的。因此，如何保证CAE的仿真精度，是CAE领域的重要课题。这需要企业与CAE软件研发部门共同探讨研究，所以加强行业内的沟通，建立CAE业内的规范及评价标准势在必行。

ANSYS公司在中国用户大会上提出，CAE的发展过程是：采纳级→重复级→预测级→驱动级→引领级。首先是企业能够采纳CAE技术，接下来是CAE分析的重复操作，结果作为设计者优化设计的依据，从而利用CAE技术提前模拟实机测试，预测试验中的不良点，提前应对，然后发挥驱动设计的功能，最终引领设计。每个阶段的过渡需要1～2年，不同的企业需要的时间也不尽相同。

4 CAE技术的发展方向

综合CAE技术在机械设计领域中应用的问题点和对策，结合笔者多年企业的CAE工作经历和相关文献的调查研究，认为CAE技术应该从以下几个方面进行思考和探索。

（1）CAE软件测试体系的构建。随着CAE技术在机械设计领域中应用广度和深度的提高，企业对CAE的仿真结果和可信度要求越来越高。在利用CAE软件进行工作状态仿真时，对产品模型的简化和近似是必须的，导致计算结果会与实机情况产生偏差。在近似和简化不可避免的情况下，如何评估物理模型的可靠性和数值计算程序的准确性，是一项非常重要的工作。目前，国内外在CAE技术研究领域中应用最多的手段是验证与确认技术（V&V）[8]，也就是软件测试技术。美国和日本已经将V&V技术引入CAE领域，国内很多机构也对V&V技术在CAE领域的应用进行了研究，但是发表的论文并不多。如何构建基准的测试模型、进行设计与实施验证试验是CAE技术进行深入研究必须要考虑的重要问题。

（2）CAE分析标准的建立。国际上，AIAA组织在1998年发布了计算流体力学模型中的验证与确认指南，IEEE组织的成员也报道了他们在计算电磁学建模和代码确认方面的标准制定工作。国内的软件测试，相对发达国家还有一定距离，但是，对V&V技术的标准建立也展开了研究和探索。

CAE标准的建立途径有两个：一是自己通过试验和仿真相互校核，建立相关产品的评价标准；二是利用相关行业已有的经验来辅助自己建立CAE分析标准。CAE标准的建立需要大量的工作，并且要结合试验结果，但是这个过程是CAE标准建立的必由之路。CAE的标准内容如图3所示。

其中分析类型是指结构分析、热分析、流场分析等，同时明确是否需要做热-结构耦合分析，结构分析是静力分析还是动力分析，是静态分析还是动态分析等问题。分析标准的建立中，模型的简化和分析结果的评价定义是非常艰难的，需要几代CAE人的经验积累。

（3）CAE工作团队管理模式的规范化。CAE技术是近几年发展起来的新兴技术，CAE工作者的工作内容已经由最初的软件分析拓展到CAE标准的建立及CAE分析可靠性的确认，因此，CAE团队的组建和职责明确已经势在必行。与设计部门的职责相似，CAE部门要设定技术总监、技术主管和技术员3种职能。技术主管对技术员的工作负责，技术总监负责CAE部门的总体工作。只有形成明确的组织模式，CAE工作的开展才能顺利推进，CAE人员的成长方向才能有迹可循。

5 结语

该文详细说明了CAE技术在机械设计开发流程中的应用地位，概括说明了CAE技术在机械设计领域中的应用种类和状况，总结分析了CAE技术应用中的问题点和原因，提出了改善对策，并根据多年的工作经验和文献研究，指出了CAE技术的发展方向。从该文的介绍可以看出，CAE技术在机械设计领域中的地位已经得到了认可，应用CAE技术可以减少实机测试的次数和时间，节约试验成本的事实已经得到了企业的验证，然而，随着CAE技术的应用广度和深度的提高，对CAE可靠性的要求也越来越高，因此，V&V成为CAE技术领域中的重要研究方向。该文的研究探索，对机械设计领域的CAE人员有一定的启发作用，对企业的CAE技术方向有一定的引导作用，对于高校机械设计专业培养方案的制定有一定的参考价值。

CAE技术是一门新兴的多学科交叉技术，如何拉近中国与发达国家的CAE技术应用水平，充分运用CAE技术为中国制造做贡献，对于机械工作者任重而道远。

参考文献

[1] 梅飞.计算机辅助工程技术发展及应用综述[J].滁州学院学报，2007，9（3）：45-47.

[2] 朱龙.计算机辅助工程（CAE）技术的应用及其新发展[J].机械制造与自动化，2004，33（6）：7-8.

[3] 张早明.CAE在汽车工业中的应用[J].汽车科技，2008（5）：

7-11.

[4] 朱德祥.CAE在船舶性能研究领域的应用[J].中国造船，2007（2）：1-8.

[5] Maik SUFFA， Franz ZIEHER， Andreas ENNEMOSER，

et al.AVL如何将CAE集成到产品开发过程中[C]//APC联合学术年会.2010.

[6] 张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2013：1-2.

[7] 张早明.CAE在汽车工业中的应用[J].汽车科技[J].2008

（5）：7-11.

[8] 李勇.计算电磁学研究中的v&v方法概述[J].强激光与粒子束，2016（3）：182-188.