計算機輔助工程信息模型

CAEIM（Computer Aided Engineering Information Modeling），指用計算機輔助模型求解分析複雜工程和產品的結構力學性能，以及最佳化結構性能等。而CAE軟體可作靜態結構分析，動態分析；研究線性、非線性問題。

基本介紹

• 中文名：計算機輔助工程信息模型
• 外文名：Computer Aided EngineeringInformation Modeling
• 所屬學科：電子
• 別 名：CAEIM

目錄

1. 發展歷程
2. 分類
3. 基本結構
4. 分析步驟
5. 結構與功能

發展歷程

編輯

CAEIM（Computer Aided Engineering Information Modeling）是用CAE軟體創建信息模型，達到輔助求解複雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力回響、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的最佳化設計等問題的一種近似數值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始套用到今天，已經歷了50多年的發展歷史，其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程，現已成為工程和產品結構分析中（結構分析和結構最佳化的重要工具），同時也是計算機輔助4C系統（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要環節。CAE系統的核心思想是結構的離散化，即將實際結構離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的複雜問題。其基本過程是將一個形狀複雜的連續體的求解區域分解為有限的形狀簡單的子區域，即將一個連續體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；通過將連續體離散化，把求解連續體的場變數（應力、位移、壓力和溫度等）問題簡化為求解有限的單元節點上的場變數值。此時得到的基本方程是一個代數方程組，而不是原來描述真實連續體場變數的微分方程組。求解後得到近似的數值解，其近似程度取決於所採用的單元類型、數量以及對單元的插值函式。針對這種情況，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為CAE的後處理。

CAEIM（Computer Aided Engineering Information Modeling）技術的提出就是要把工程（生產）的各個環節有機地組織起來，其關鍵就是將有關的信息集成，使其產生並存在於工程（產品）的整個生命周期。因此，CAE系統是一個包括了相關人員、技術、經營管理及信息流和物流的有機集成且最佳化運行的複雜的系統。

隨著計算機技術及套用的迅速發展，特別是大規模、超大規模積體電路和微型計算機的出現，使計算機圖形學（Computer Graphics，CG）、計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）與計算機輔助製造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技術得以十分迅猛的發展。CAD、CAM已經在電子、造船、航空、航天、機械、建築、汽車等各個領域中得到了廣泛的套用，成為最具有生產潛力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的經濟效益。

計算機技術的迅速發展還推動了現代企業管理的發展，企業管理藉助於管理信息系統的支持與幫助，利用信息控制國民經濟部門或企業的活動，做出科學的決策或調度，從而提高管理水平與效益。企業生產經營活動的各個環節，從工程的立項、簽約、設計、施工（生產），一直到交工（交貨），是一個連續的過程，有機的整體.

分類

編輯

從廣義上說，計算機輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和製造業信息化的所有方面，但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬，及早發現設計缺陷，並證實未來工程、產品功能和性能的可用性和可靠性。這裡主要是指CAE軟體。

CAE軟體可以分為兩類：針對特定類型的工程或產品所開發的用於產品性能分析、預測和最佳化的軟體，稱之為專用CAE軟體；可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和最佳化，以實現產品技術創新的軟體，稱之為通用CAE軟體。

CAE軟體的主體是有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）軟體。

有限元方法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示複雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連線，然後根據變形協調條件綜合求解。由於單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。

基於有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化。

根據經驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用於模型的建立和數據輸入，50%～55%用於分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。

採用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為：CAE的後處理。

基本結構

編輯

分析步驟

套用CAE軟體對工程或產品進行性能分析和模擬時，一般要經歷以下三個過程：

前處理：對工程或產品進行建模，建立合理的有限元分析模型。

有限元分析：對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。

後處理：根據工程或產品模型與設計要求，對有限元分析結果進行用戶所要求的加工、檢查，並以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。

結構與功能

CAE軟體的基本結構其中包含以下模組：

前處理模組---給實體建模與參數化建模，構件的布爾運算，單元自動剖分，節點自動編號與節點參數自動生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。

有限元分析模組---有限單元庫，材料庫及相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模組，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特徵，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等。

後處理模組---有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產品設計要求的數據檢驗與工程規範校核，設計最佳化與模型修改等。

用戶界面模組、數據管理系統與資料庫、專家系統、知識庫。

CAE軟體對工程和產品的分析、模擬能力，主要決定於單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其CAE軟體對工程或產品的分析、仿真能力越強。

一個CAE軟體的計算效率和計算結果的精度，主要決定於解法庫。先進高效的求解算法與常規的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。

前後處理是近十多年發展最快的CAE軟體成分，它們是CAE軟體滿足用戶需求，使通用軟體專業化、屬地化，並實現CAD、CAM、CAPP、PDM等軟體無縫集成的關鍵性軟體成分。它們是通過增設CAD軟體，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等軟體的接口數據模組，實現了CAD/CAE的有效集成。

CAE通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析（線性、非線性、靜態、動態）；場分析（熱場、電場、磁場等）；頻率回響和結構最佳化等。機構分析能完成機構內零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構的運動模擬及機構參數的最佳化。

CAE的作用　（a）增加設計功能，藉助計算機分析計算，確保產品設計的合理性，減少設計成本；

（b）縮短設計和分析的循環周期；

CAE

（c）CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程，虛擬樣機作用能預測產品在整個生命周期內的可靠性；

（d）採用最佳化設計，找出產品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本；

（e）在產品製造或工程施工前預先發現潛在的問題；

（f）模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經費；

（g）進行機械事故分析，查找事故原因。