CAE有限元分析在实际工程领域中的常见应用
CAE有限元分析在实际工程领域中的常见应用
CAE（Computer Aided Engineering）是一种利用计算机辅助求解复杂工程和产品结构力学性能的数值分析方法。作为一门涉及多个领域的综合技术，CAE在各行各业中得到了广泛应用。本文将详细介绍CAE有限元分析在实际工程领域中的常见应用，包括动力响应分析、疲劳分析、结构非线性分析、屈曲分析、模态分析、结构线性静力分析、传热分析和优化设计等八个方面。
动力响应分析
动力响应分析是CAE分析的主要内容之一，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。在动载荷作用下，结构上相应的位移、应力和应变不仅随空间位置变化，而且随时间变化。
动力响应分析主要解决两个问题：
- 寻求结构的固有频率和主振型，了解振动特性；
- 分析结构的动力响应特性，计算结构受到动载荷时的动位移、动应力和动应变的大小及其变化规律。
根据动载荷的不同，动力响应计算主要分为以下几类：
- 频率响应分析：主要用于计算结构在简谐激励作用下的稳态动力响应。
- 直接频率响应分析：通过求解整个模型的阻尼耦合方程，得出各频率对于外载荷的响应。
- 模态频率响应：先进行结构的模态分析，然后解偶结构动力学方程，得到模态坐标中的相应方程。
- 瞬态动力学分析：用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应。
疲劳分析
疲劳寿命的定义为发送疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发送断裂所经过的时间。疲劳是指结构在低于静态强度极限的载荷重复作用下，出现初始裂纹、裂纹扩展，直到裂纹疲劳断裂的现象。
影响疲劳破坏的原因很多，主要考虑的是载荷的循环特征和循环次数，构件材料的疲劳特性，构件的应力分布，以及构件的形状、大小尺寸以及材料表面热处理等因素。因此，构件的疲劳是个复杂的过程，受多种因素的影响，要精确地预估构件的疲劳寿命，需要选择合适的模型，这就需要宏观力学方面的研究，包括疲劳裂纹发送、发展直至破坏的机理，还需要微观力学方面的研究包括位错理论等。此外，还涉及到金属材料科学、材料力学、振动力学、疲劳理论、断裂力学和计算方法多门学科。只有更深刻地认识了疲劳破坏的机理，将宏观和微观研究结合起来，才能更精确地预测寿命。采用CAE技术可以更快更精确的预估出构件的疲劳寿命。
疲劳分析结果主要有：应力安全因子、疲劳安全因子和疲劳寿命。
结构非线性分析
结构非线性包括几何非线性、材料非线性、双重非线性（既含几何非线性又含材料非线性）及接触非线性。近年来，在实际工程案例中，人们面临着越来越多的结构非线性力学问题，结构非线性分析已成为工程设计与施工不可缺少的一项工作，工程结构从本质上来讲是非线性的，线性假设只是实际问题的一种简化。如果工程结构按线性理论设计，则它的经济合理及安全可靠难以保证。
结构非线性问题主要有：
- 几何非线性：如果结构的变形比较大，使应力和应变之间不能再用线性关系来表示，很大的位移也可能使外力之间的平衡关系改变，以致不能继续采用线性分析，这种非线性问题称为几何非线性。
- 材料非线性：由于载荷过大等因素的影响，当结构中的应力达到或超过材料的屈服应力时，材料的应力应变关系不再符合虎克定律，也可能一些材料的应力应变关系本来就不服从虎克定理，这种问题统称为材料非线性问题。
- 边界非线性：接触问题，系统的刚度由于系统状态的改变在不同值之间突然变化。接触是一种很普遍的非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题有两大难点：
- 在求解问题之前，不知道接触区域表面之间是接触的、分开的还是突然变化的，这随着载荷、材料、边界条件等因素而定；
- 接触问题常需要计算摩擦，各种摩擦模型是非线性的，这使得问题的收敛变得困难。
屈曲分析
在通常的结构分析中，结构处于一个稳定平衡的状态。但是有一些承受较大压应力的细薄结构，例如细长的受压杆，受到较大水压的深海容器等，当它们所受到的压应力达到某个临界值时，原来的平衡状态就会变得不稳定，受压的直杆会因为失去稳定性而变弯曲，受到高水压的容器会因为失稳而压瘪。屈曲分析就是一种用于确定结构失去稳定性的临界载荷和屈曲模态形状的技术。广泛应用于细薄结构的设计分析中。
屈曲分析包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析； 线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析， 弹塑性失稳分析， 非线性后屈曲(Snap-through)分析。特征值屈曲分析（线性屈曲分析）计算得出的临界载荷可能会大于结构实际的承载能力，若要计算获得结构屈曲发生的过程和确定屈曲后的形状，需要进行非线性屈曲分析。而在实际工程中，结构发生屈曲，并不一定是所用的工程材料发生了屈服，也可能只是发生大变形（小应变）。
模态分析
简单地说，模态分析是一种分析方法，是根据结构的固有特性，包括频率、阻尼和振型，这些动力学属性去描述结构的过程。严格从数学意义上定义是指将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，对方程解耦使之成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。因此，模态变换是将方程从物理空间通过模态变换方程变换到模态空间的过程；是将一组复杂的、耦合的物理方程变换成一组单自由度系统的、解的方程的过程。
模态分析帮助人们获得各阶模态参数，得到的模态振型是矢量，是相对量，非绝对量，因而可对模态振型进行任一缩放。模态分析的最终目标是在识别出系统的模态参数、为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
结构线性静力分析
结构线性静力分析是结构设计与强度校核的基础，主要是计算在固定不变的载荷作用下（包含由定常加速度引起的平衡惯性载荷）结构的响应（位移、应力、应变和力），不考虑惯性和阻尼的影响；固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。
结构线性静力分析中，假定结构中的工作应力小于结构材料的屈服应力，因此应力应变关系服从虎克定理，具有线性关系。同时结构的变形（位移）相对结构的总体尺寸来说，又是很小的，所以问题可以用线性方程计算。从应用的角度看，多数情况下，结构的线性分析是评估很多结构设计问题的最有效的方法。
传热分析
传热分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性，可以计算出结构内的温度分布状况，并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。可通过改变发热元件的位置、提高散热手段、绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。
- 线性/非线性稳态传热分析：基于稳态的线性传热分析一般用来求解在给定热载和边界条件下，结构中的温度分布。计算结果包括：节点的温度，约束的热载和单元的温度梯度。节点的温度可进一步用于计算结构的响应。稳态非线性传热分析则在包括了稳态线性传热的全部功能的基础上，额外考虑非线性辐射与温度有关的传热系数及对流问题等。
- 线性/非线性瞬态传热分析：用于求解时变载荷和边界条件作用下的瞬态温度响应，可以考虑薄膜传热、非稳态对流传热及放射率、吸收率随温度变化的非线性辐射。
优化设计
设计优化是为满足特定优选目标，如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等等的综合设计过程。这些优选目标称之为设计目标或目标函数。优化实际上含有折中的含义，例如结构设计的更轻就要用更少的材料，但这样一来结构就会变得脆弱，因此就要限制结构件在最大许用应力下或最小失稳载荷下等的外形及尺寸厚度。类似地，如果要保证结构的安全性就要在一些关键区域增加材料，但同时也意味着结构会加重。
优化的三大变量：
- 设计变量：自变量，每个设计变量都有上下限，定义了设计变量的变化范围；
- 状态变量：因变量，设计变量的函数，可以有上下限，也可以只有上限或者下限；
- 目标函数：最终的优化目的，必须是设计变量的函数，也就是改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。
以上介绍的CAE有限元分析，都是在结构和传热领域常见的工程分析，对于产品的研发与创新也是至关重要的决定性因素，尤其是在当下突飞猛进的数字化智能制造时代，这些分析方法是每一个产品在正式诞生前几乎都是不容小觑的阶段。同样，不论是在实际工程领域，还是其他各行各业，随着CAE软件技术的广泛应用，解决了很多原本难以攻克的技术壁垒和发展瓶颈。未来，相信随着CAE软件技术的不断精进与成熟，一定能够解决更多的难题，助力企业发展，实现“制造”到“智造”的华丽转身。