CAE介紹 | 從概念到應用全方位解析

曾經需要數月時間和大量資源才能完成的工程設計任務，如今在CAE技術的輔助下，不過是幾個簡單的步驟。CAE的出現不僅加速了產品設計和優化的進程，更為工程師們提供了更加精準的數據支持。CAE技術作為工程設計的得力助手，已經成為各行業必不可少的利器。其在仿真分析、設計優化和問題預測方面的強大功能，為企業節省了大量的時間和成本。

一、什么是CAE？

CAE（Computer Aided Engineering），即計算機輔助工程，是一項至關重要的技術軟件。它以三維實體建模為基礎，通過模擬產品在各種工作狀態下的表現，如結構強度、熱傳導、剛度、運動學等，為產品設計提供科學依據。CAE的應用領域廣泛，從汽車、航空航天到電子裝備、國防軍工等行業都有著重要的地位。

二、CAE技術的起源與發展

CAE技術的發展離不開計算機技術的進步。它起源于力學和航空航天領域，隨著計算機的出現和發展，得以不斷完善。早在20世紀初，庫朗等數學家提出了偏微分方程的數值解法，為有限元法的雛形奠定了基礎。隨后，有限元法被引入工程實踐，并迅速發展壯大，成為現代CAE技術的核心。

各種有限元軟件如Nastran、Ansys、ABAQUS等相繼問世，為工程設計提供了強大的工具支持。不僅如此，針對不同物理過程和控制方程的特點，還出現了諸如有限體積法、格子玻爾茲曼法、邊界元法等多樣化的數值算法，使得CAE技術得以在更多領域得到應用。

三、CAE的作用

· 增加設計功能與減少成本： 通過分析計算，確保產品設計合理性，降低設計成本。

· 縮短設計循環周期： CAE技術能夠快速進行仿真分析，加快產品設計和優化過程。

· 替代物理樣機驗證設計： 虛擬樣機作用能預測產品在整個生命周期內的可靠性，避免傳統實物樣機驗證帶來的資源消耗。

· 采用優化設計： 通過找出最佳設計方案，降低材料消耗和成本。

· 預先發現問題： 在產品制造前，通過仿真分析發現潛在問題，提前解決，避免后期成本增加。

· 減少試驗時間和經費： 模擬各種試驗方案，降低實驗成本和時間。

· 機械事故分析： 通過CAE技術進行事故分析，找出事故原因，提高產品安全性。

四、CAE在各工業領域中的應用

CAE技術已經廣泛應用于各個工業領域，為產品設計和制造提供了強大支持。從汽車行業到船舶建造，從航空航天到能源電力，CAE技術無處不在。它不僅可以用于分析結構強度、疲勞、振動等問題，還可以用于流體力學仿真、電磁場分析等各種工程應用。通過CAE技術，工程師可以在設計階段發現問題并進行修正，提高產品的性能和可靠性。

五、CAE發展趨勢

· 融入制造業各個環節： CAE技術將進一步融入制造業的各個環節，成為提升創新創造能力的重要手段。

· 正向設計的重要性： 正向設計將成為工業自主創新的必經之路，CAE技術在其中將發揮關鍵作用。

· 構建數字孿生體： 基于CAE技術的數字孿生將成為工業技術發展的重要方向，實現對產品全生命周期的數字化仿真。

· 知識產權保護意識增強： CAE軟件正版化將成為趨勢，促進軟件行業的健康可持續發展。

六、熱門的CAE軟件

1、Dassault System CATIA

CATIA簡介

CATIA是Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM軟件，源于1981年，是航空航天領域的領導者。其V4/V5版本覆蓋UNIX和Windows平臺，廣泛應用于航空、汽車、造船、機械、電子、消費品行業。雇員數量從20人增長到2000多人，銷售利潤增長迅速，被全球13000多用戶選擇。



CATIA的應用領域

1.航空航天：CATIA在航空航天工業中應用廣泛，為各種項目提供精確安全的設計和虛擬原型開發，包括波音777、陣風戰斗機等。



2.汽車工業：作為汽車工業的標準，CATIA在車輛設計、造型風格、車身和引擎設計等方面發揮著重要作用，被世界頂尖汽車制造商所采用。



3.造船工業：CATIA為造船工業提供優秀的解決方案，包括船體設計、船載設備和機械解決方案，被諸如General Dynamics和Meyer Werft等船舶制造企業廣泛采用。

4.廠房設計：CATIA與IBM合作開發了新一代解決方案，包括管道、裝備、結構和自動化文檔，為造船業、發電廠、加工廠等提供全面支持。

5.加工和裝配：CATIA在機床工業中應用廣泛，支持產品的精確制造和裝配，被大型制造商如Staubli和Gidding &Lewis所采用。

6.消費品：全球各種規模的消費品公司信賴CATIA，用于設計和制造餐具、計算機、廚房設備等產品，其渲染工具和建模工具賦予產品新穎風格。

2、ABAQUS有限元分析軟件

ABAQUS簡介

ABAQUS是一款功能強大的有限元軟件，涵蓋線性至非線性分析范圍。其單元庫可模擬任意幾何形狀，材料模型庫包含各種工程材料，如金屬、橡膠、復合材料等。ABAQUS擁有兩個主求解器模塊— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit，以及圖形用戶界面模塊— ABAQUS/CAE。ABAQUS被廣泛應用于結構、熱傳導、聲學、巖土力學等領域。其強大的模擬能力和可靠性使其在工業和研究中得到廣泛應用。



ABAQUS的應用

1.沖壓成型應用：ABAQUS用于汽車車門設計的數字仿真，顯著節約成本和時間。

2.加工成形過程中的模擬：ABAQUS采用顯式動力學方法處理成形過程，可得到滿意結果。

3.實際應用：普通油箱、鈦合金板材、蒙拉成形、橡皮囊成形、鈑金成形、彎管成形、圓錐管成形等加工成型過程的模擬，均在ABAQUS平臺下完成，結果表明其能夠處理非線性力學問題并獲得滿意結果。

4.應用領域：建筑、勘查、地質、水利、交通、電力、測繪、國土、環境、林業等。


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