5A CAE软件

研究背景:
      当前CAE软件以有限元法为主体,一些著名的国际商业有限元软件,如NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等在国内CAE市场上处于绝对垄断地位。但是,有限元法存在以下严重的固有缺陷:
(1)CAE分析模型与CAD几何模型不统一,CAE分析自动化程度低。
(2)有限元方法中使用大量抽象数学单元(成熟的商业有限元软件中的单元种类多达上百种),如梁单元、壳单元、杆单元、弹簧等。得到合理的分析结果要求使用者要具备比较深厚的理论基础和丰富工程经验,不利于推广应用。
(3)有限元法基于所求问题控制方程和边界条件的等效积分“弱”形式,其试函数要求至少具有一阶连续性,导致应力精度总是比位移精度低一阶。试函数一阶连续性要求增加了构造有限元单元的困难,并导致一系列内在矛盾:协调元与非协调元之间的矛盾、精确积分与锁死之间的矛盾、缩减积分与零能模式之间的矛盾等等。
      针对有限元法的固有缺陷,我们提出了“完整实体CAE分析”的概念,并提出基于边界积分方程的边界面法(Boundary Face Mehtod,BFM)以实现完整实体CAE分析。边界面法具有以下特点:
  1. 直接在CAD模型上进行CAE分析,容易实现复杂结构CAE分析自动化。
  2. 避免使用抽象的一维、二维体单元,避免对结构作几何上的简化。任何结构(包括细长和薄型结构),从整体到局部细节,如机械结构中的倒角、焊缝、退刀槽和小圆孔等,都按照实际形状尺寸作为三维实体处理。
  3. 能准确得到任意点的应力及局部应力集中值。
  4. 方便自然地求解涉及无限域的问题(噪声、地震等)。
  5. 方便自然地求解奇异性问题(如断裂韧性、疲劳、裂纹扩展等)。

初步成果:
       目前已开发出与著名的CAD软件NX-UG融为一体的CAE软件初步版本Potent1.0。软件规模在40万句左右。可以进行弹性静力分析、稳态和瞬态传热分析、温度应力分析、声场分析等。


Potent1.0不仅计算精度、效率高于国际主流商业软件(如NASTRAN和ANSYS等),而且具有以下全新的、不同于现有所有CAE商业软件的特征:
     1.用户只需在CAD的交互环境中点击一些按钮就可以完成分析工作。用户不需要懂得计算力学专门知识,只需具备材料力学知识,只要能够准确施加约束和载荷,就能得到精确结果。
     2.施加约束和载荷也是在CAD的环境中完成。载荷和约束都是具体直观地施加在几何体上,而不是网格节点上。网格完全自动产生,且对用户不可见,因而用户不用关心网格划分。
     3.对于象刚架这样的复杂结构,能够得到局部焊缝上任意点的精确应力值。能够研究不同的焊接方式对结构强度的影响。因为分析始终在CAD交互环境中进行,所以可以立即根据计算结果修改结构,重新反复计算。

典型算例:

1)薄型结构


2)带细小特征的结构




3)带细长管的结构(如发动机的冷却水管)






4)纤维增强复合材料




5)散热片的自动分析



正在进行的研究亮点:

1)钢架结构焊缝建模及应力分析



2)大坝建筑过程的温度徐变应力分析


3)基于完整实体的结构稳定性分析


4)接触问题分析


5)曲面重构和骨骼应力多尺度分析


6)裂纹及疲劳分析


7)结构振动与声场分析


最后修改时间: 2012年10月7日 星期日