现代工程仿真CAE技术介绍

随着现代科学技术的发展,人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能,需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响,看看是否会发生破坏性事故;分析计算核反应堆的温度场,确定传热和冷却系统是否合理;分析涡轮机叶片内的流体动力学参数,以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。我国在"九五"计划期间大力推广CAD技术,机械行业大中型企业CAD的普及率从"八五"末的20%提高到目前的70%。随着企业CAD应用的普及,工程技术人员已逐步甩掉图板,而将主要精力投身如何优化设计,提高工程和产品质量,计算机辅助工程分析(CAE,Computer Aided Engineering)方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中,有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃,主要表现在以下几个方面:增加设计功能,减少设计成本;     缩短设计和分析的循环周期;     增加产品和工程的可靠性;     采用优化设计,降低材料的消耗或成本;     在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;     模拟各种试验方案,减少试验时间和经费;     进行机械事故分析,查找事故原因。  在大力推广CAD技术的今天,从自行车到航天飞机,所有的设计制造都离不开有限元分析计算,FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。下图是美国旧金山海湾大桥地震响应计算的有限元分析模型。   发展方向及重大进展国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在,世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征: 1 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明,只要用于离散求解对象的单元足够小,所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形,而塔的变形又反过来影响到气流的流动……这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解,即所谓"流固耦合"的问题。 2 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展,线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现,就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题;航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力,也要考虑材料的非线性问题;诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现,仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题,只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知,非线性的数值计算是很复杂的,它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。 3 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上,求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型,然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说,工程师在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调"可视化"的今天,很多程序都建立了对用户非常友好的GUI(Graphics User Interface),使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分析所需数据,并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图,便于极值搜索和所需数据的列表输出。 4 与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用 即,在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。今天,工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件(例如proeNGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。 5 在Wintel平台上的发展早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机(主要是Mainframe)上开发和运行的,后来又发展到以工程工作站(EWS,Engineering WorkStation)为平台,它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。PC机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化,工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的PC机采用16位CPU和DOS操作系统,内存中的公共数据块受到限制,因此当时计算模型的规模不能超过1万阶方程。Microsoft Windows操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出为将PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到Wintel平台上。下表列出了用ADINA V7.3版在PC机的Windows NT环境和SGI工作站上同时计算4个工程实例所需要的求解时间。从中可以看出最新高档PC机的求解能力已和中低档的EWS不相上下。

表 ADINA V7.3版几种机器上的运行时间比较

计算问题的特征	方程数NEQ	运行时间(秒)
		PentiumII450MHZ	PentiumIII450MHZ	工程工作站
非线性三维接触 (计算一步)	51159	219	188	219
线性静力分析	58707	262	234	249
动力分析频率计算	31205	311	258	287
三维流动分析	36162	218	183	208

为了将在大中型计算机和EWS上开发的有限元程序移值到PE机上,常常需要采用Hummingbird公司的一个仿真软件Exceed。这样做的结果比较麻烦,而且不能充分利用PC机的软硬件资源。所以最近有些公司,例如IDEAS、ADINA和R&D开始在Windows平台上开发有限元程序,称作"Native Windows"版本,同时还有在PC机上的Linux操作系统环境中开发的有限元程序包。   国内发展情况和前景1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功,掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮一直持续到1981年ADINA非线性结构分析程序引进,一时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计算机很少,大约只有杭州汽轮机厂的Siemens7738和沈阳鼓风机厂的IBM4310安装有上述程序,所以用户算题非常不方便,而且费用昂贵。PC机的出现及其性能奇迹般的提高,为移植和发展PC版本的有限元程序提供了必要的运行平台。可以说国内FEA软件的发展一直是围绕着PC平台做文章。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4. 0等。但正如上面所述,国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对PC平台不屑一顾转变为热衷发展,对国内FEA程序开发者来说发展PC版本不再具有优势,而应该从下面几方面加以努力: 1 研究开发求解非固体力学和交叉学科的FEA程序经过几十年的研究和发展,用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟,现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科的问题。由于国内没有类似功能的商品化软件,所以国外的软件就卖得非常贵。为了破这种垄断局面,我们必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件。因为流体力学问题远比固体复杂得多,而且很少有现成的软件可以借鉴,所以需要投入大量的人力和经费。这就必须有国家和大型企业集团来支持。 2 开发具有中国特色的自动建模技术和GUI开发建模技术和GUI的投入比前述课题要少得多,但却可以大大提高FEA软件的性能和用户接受程度,从而起到事半功倍的效果。国内不少人在这方面做了很多工作,但是由于当时PC机上的图形支撑环境有限,所以开发的效果都不甚理想。Windows中提供了OpenGL图形标准,为在PC机上应用可视化图形技术开发GUI提供了强有力的工具。OpenGL是当今国际上公认的高性能图形和交互式视景处理标准,应用它开发出来的三维图形软件深受专业技术人员的钟爱,目前世界上占主导地位的计算机公司都采用了这一标准。正如前面所述,近年来国外有的FEA程序已抛开仿真软件,直接在Windows平台上开发有限元程序。杭州自动化技术研究院1997-1999年采用OpenGL图形标准和相应的Visual C++等编程工具,在PC机上成功地开发了一套可视化有限元程序包。它能直观地通过对"菜单"、"窗口"、"对话框"和"图标"等可视图形画面和符号的操作,自动建立有限元分析模型,并以交互方法式实现计算结果的可视化处理,因而可大大提高有限昂分析的效率和精确性,也便于用户学习和掌握。 3 与具有我国自主版权的CAD软件集成前面已经讲过,当今有限元方法的一个重要特点是和CAD软件的无缝集成。作为我国自行开发的FEA程序,首先要考虑和我国自主版权的CAD软件集成。因为有限元分析主要用于形状比较复杂的零部件,所以要和具有三维造型功能和CAD软件集成,使设计和分析紧密结合、融为一体。