CAE软件概述及有限元分析软件介绍

2023-10-27 理论教育版权反馈

【摘要】：CAE软件通常可分为通用分析软件和行业专用软件。它从功能上可以划分为求解器软件和前后处理软件，从应用方向和领域上又可以分为主要面向结构领域的有限元分析软件和针对流体力学领域的计算流体力学分析软件，以及解决多物理场耦合问题的多场耦合分析软件。在管道行业中，CAEPIPE是最主要的分析软件。

CAE软件通常可分为通用分析软件和行业专用软件。它从功能上可以划分为求解器软件和前后处理软件，从应用方向和领域上又可以分为主要面向结构领域的有限元分析（FEA）软件和针对流体力学领域的计算流体力学分析（CFD）软件，以及解决多物理场耦合问题的多场耦合分析软件。通用软件是可以对多种类型的产品和工程问题的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，它以覆盖的应用范围广而著称。通用软件可以说是多种多样，目前在国际上被市场认可的通用FEA软件主要包括美国MSC公司的MSC.Nastran、MSC.Marc、MSC.Dytran、MSC.Adams、MSC.Fatigue；美国ANSYS公司的Ansys、Autodyn；法国Dassault Systems公司的Abaqus；美国LSTC公司的LS-DYNA；西门子工业软件比利时有限公司（原SAMTECH公司）的SAMCEF和SAMCEF Rotors；美国ADINA公司的ADINA；法国ESI公司的PAMCRASH、美国Altair公司的HyperMesh、OptiStruct和RADIOSS等。这些软件都有着各自的特点，在行业内，一般将其分为线性分析软件、一般非线性分析软件和显式高度非线性分析软件。例如NASTRAN、ANSYS、SAMCEF/Linear在线性分析方面具有自己的优势，而Marc、Abaqus、SAMCEF/Mecano和ADINA在非线性分析方面各具特点，其中Marc和Abaqus被认为是最优秀的非线性求解软件，SAMCEF/Mecano在弹性体和刚体耦合非线性分析方面见长。LS-DYNA、MSC.Dytran、Abaqus/EXPLICIT、PAMCRASH和RADIOSS是显式高度非线性分析软件的代表。LS-DYNA在结构分析方面见长，是汽车碰撞仿真（CRASH）和安全性分析（SAFETY）的首选工具，而MSC.Dytran在流固耦合分析方面见长，在汽车缓冲气囊和国防领域应用广泛。

专用有限元软件是针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，它以在某个领域中的应用输入而见长。受其应用领域的限制，它只能在各自的行业领域得到应用。例如，美国ETA公司推出的专门应用于汽车工程的软件VPG（Virtual Proving Ground）。VPG虚拟试验场是ETA公司长期总结汽车分析工程经验，在FEMB和LS-DANA平台上开发的。VPG主要针对当前汽车产品开发中的主要问题，即整车系统动力学、部件疲劳、整车和部件NVH、整车碰撞安全及乘员保护等问题。又如，美国Flow Science公司的FLOW-3D，可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，进而提高铸造质量。另外，在锻造领域应用比较多的Deform、SuperForm也得到了很多企业的认可。

在管道行业中，CAEPIPE是最主要的分析软件。它可以进行静态和动态载荷条件下管道的应力计算、法兰分析、管道支承设计和设备接口载荷分析。它们都是使用有限元方法的程序，智能化的软件使得用户不需要了解高深的有限元理论就可以分析复杂的系统，而且软件都配有图形处理界面。这些软件的计算结果都可以按照各种标准输出，例如美国ASME标准ASME B31.1、B31.3、B31.4、B31.8和ASME Section III Class 2&3，加拿大CAN/CSA-Z662标准，英国标准BS 806和BS 7159，以及挪威DNV等多种标准。在管道设计行业中，加拿大ProCAD公司的三维管道设计软件3D SMART和二维绘图软件2D Designer都是应用很广泛的专业管道设计软件。

在板材成型行业，有AutoForm Engineering公司的Autoform、ETA公司的DynaForm、MSC公司的Dytran、ESI公司的PAM-Stamp和FTI公司的FastForm系列软件。

在钢结构设计和结构分析方面，世界级的CAE系统主要有美国REI公司的Staad/China、SCIA公司的Esa-PrimaWin（EPW）、韩国MIDAS Group公司的Midas软件、美国EDI公司的针对海洋工程结构的计算分析软件SACS、美国CSI公司的钢结构计算分析软件SAP2000、英国AceCad公司的钢结构设计软件StruCad和美国Bentely公司开发的钢结构设计软件ProSteel等。

在噪声和声场分析领域，以西门子工业软件比利时有限公司（原比利时LMS国际公司）的Virtual.Lab Acoustic软件和美国ANSOL公司的Coustyx软件最具代表性。

通过将开创性的LMS SYSNOISE技术融合到LMS Virtual.Lab Acoustics中，西门子LMS已经建立了全球首个端对端的声学性能工程模拟环境，通过虚拟模型进行产品的概念生成和设计改进，再到基于试验的验证。LMS声学求解覆盖常规应用，例如结构声辐射和腔内声场的模拟；并提供特殊声学工程问题，如发动机升速、流体流动噪声、随机声等的专门解决方案。

美国ANSOL公司的Coustyx软件用于传动系统的声学设计和噪声计算分析，实现以快速多极法（FMM）技术结合边界元（BEM）技术建立传动系统噪声计算分析模型，实现大规模（100万自由度）模型快速求解声学问题，针对齿轮箱振动噪声传递，采用以Calyx为核心的时间域多体齿轮动力学分析软件T3D和频率域噪声分析软件Coustyx，可以对传动系统进行仿真分析。

在结构疲劳分析领域，主要有MSC公司的疲劳分析软件MSC.Fatigue、nCode公司的FE-Fatigue、英国安全技术公司的FE-SAFE、奥地利Magna Steyr公司的疲劳分析软件FEMFAT和德国Steinbeis TZ交通中心开发的疲劳分析软件WinLIFE等。其中，WinLIFE软件建立在基本模块基础之上，主要功能是分析机械结构，以及齿轮、齿轮轴和轴承的疲劳寿命。WinLIFE包含高级齿轮和轴承专业分析模块Gearwheels&Bearings以及基于Web的材料库WinLIFE Material DB。WinLIFE材料数据库包含可以由WinLIFE读取的材料特性数据，它可以转化为内部数据库。材料特性数据来自公司的研究成果、文献和WinLIFE高级用户。授权用户可以从Steinbeis TZ公司的网站进入数据库并下载材料特性。

在电子系统散热仿真分析领域，以英国Flomerics公司的Flotherm最为著名。Flotherm采用了成熟的CFD和数值传热学仿真技术，并结合了Flomerics公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库开发而成，同时Flotherm软件还拥有大量专门针对电子工业开发的模型库。Flotherm软件可以应用到芯片与器件封装级热分析和热设计、PCB板级与模块级热分析和热设计、系统整机级热分析和热设计，以及环境级热分析和热设计。

在电磁场分析领域，以美国Altair公司的FEKO和日本公司的JMAG最具有代表性。

FEKO是一款完整的电磁（EM）分析软件套件，它以先进的计算电磁（CEM）技术为依托，能够帮助用户解决各种电磁问题。FEKO使用的是精准的“全波”矩量法，这种方法充分结合了其他多种计算方法，包括有限元法（FEM）和高效的高频近似算法（PO、GO 和UTD）。FEKO也是首个成功运用多层快速多极子算法（MLFMM）的商用软件。所有这些算法融合成一套综合性解决方案，从而满足航空航天、造船、汽车和通信行业的各种仿真需求，特别是将MLFMM与高频技术结合使用后能够有效分析实际操作环境下的多种电磁问题，例如船舶或飞机等大型平台上的天线布局、车辆中复杂电缆束的电缆耦合（EMC）分析，以及移动通信基站这类大型结构上的天线的人体靠近辐射危险分析，这种特殊功能让FEKO在其他常用电磁仿真软件中脱颖而出。(www.chuimin.cn)

JMAG软件是由日本JSOL公司开发的功能齐全、应用广泛的电磁场分析软件。该软件可以对各种电机及电磁设备进行精确的电磁场分析，为用户提供设计上的帮助，降低用户产品的开发周期，取得竞争优势。JMAG使用的技术能够准确地建立和电磁场相关的复杂的模型的结构、拥有庞大的各类材料数据库、拥有完善的各类剖分工具、具备电磁以及温度和结构等众多求解器，使用JMAG的精确分析能力能够很好地降低研发成本、缩短研发流程。

在齿轮分析领域，以美国ANSOL公司的专业齿轮分析系列软件、美国俄亥俄州立大学开发的齿轮分析软件WindowsLDP和瑞士KISSsoft AG公司的Kisssoft/KISSsys软件最为著名。

在压力容器和换热器设计及分析方面，以美国Codeware公司的COMPRESS软件最具有代表性。COMPRESS是获得国际公认的用于ASME（美国机械工程师协会）压力容器的设计和分析软件。COMPRESS考虑内外压、风力、地震和其他外部负载，管口设计和多种支撑类型。程序内置所有ASME材料和AISC结构属性，具备许多帮助窗口和防止用户错误的“陷阱”。友好的压力容器设计向导能帮助用户进行设计。通过提供最少量的容器细节，用户能更快捷地创建标准容器。容器细节也能被保存到容器模板库中，同时所有现存的容器文件可转换为模板文件向导。

在有限元分析与试验相关性分析方面，以比利时动力设计仿真公司（Dynamic Design Solutions，DDS）开发的Femtools软件最具有代表性。Femtools软件是有限元分析与试验测试相关性及模型修正更新的专业分析软件。Femtools软件可以帮助有限元分析工程师和试验测试工程师分析有限元模型的逼真度，识别结构特性，评估变量的不确定性。经过十余年的发展，DDS公司在使用静态或者动态试验数据进行有限元模型修正更新领域已经奠定了行业领导者的地位。

在复合材料分析和优化方面，以美国科利尔研究公司（Collier Research Corporation）的HyperSizer系列软件和美国AlphaSTAR Corporation（ASC）公司的GENOA软件最具特色。

由于有限元技术的特点，使得有限元的前后处理软件成为一个相对独立而又十分重要的部分。目前，在国际上被认可的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、HyperView、SimLab、HyperGraph，MSC公司的Patran，EDS公司的FEMAP，SAMTECH公司的SAMCEF Field等。而有几个专业的软件专门针对有限元分析的后处理，例如挪威Ceetron公司的Glview Inova和CEI公司的EnSight等软件。一般情况下，前后处理软件都与CAD软件具有良好的接口，可与众多的有限元软件相结合，以便客户更快、更方便地解决问题。

在结构优化方面，以美国Altair公司的OptiStruct最为著名。OptiStruct是一个以有限元为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，支持常见的结构响应，包括位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构柔度以及各响应量的组合等。此外，OptiStruct提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，方便用户对整个优化过程进行控制，确保优化结果便于加工制造，从而极其具有工程实用价值。

在多学科优化领域主要有比利时NOESIS SOLUTIONS公司的Optimus软件、达索公司的Isight软件和美国Altair公司的HyperStudy软件。

Optimus软件是一个优秀的过程集成和优化设计软件，集成了CAD/CAE仿真工具，实现了仿真流程自动化，包括试验设计、单目标/多目标优化、鲁棒性/可靠性设计等模块，是多学科仿真设计辅助工具。

EnSight是一套适用于各种工程和科学（CFD、FEA、碰撞、流体力学、SPH及其他）的后处理与计算结果可视化软件。Ensight支持各种类型的工程分析数据。Ensight可处理百万甚至上亿的节点单元，具有并行处理与渲染的优势，并支持VR系统环境以及实时协同等功能。当前的工程与科学分析后处理手段在对一个模型或设计进行分析时，很难有效地暴露出每一个问题，采用Ensight高级数据可视化技术则弥补了普通后处理工具的局限，更准确地讲，它提供了一种完全的对各种类型的工程进行分析、可视化与交流的手段。

CAE软件概述及有限元分析软件介绍

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