1.前言

　　設(shè)計(jì)分析一體化是目前所有CAD" title="CAD">CAD公司追求的一個(gè)主要目標(biāo)，其核心意圖就是為了實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中,，充分考慮產(chǎn)品的性能和優(yōu)化,，提升產(chǎn)品質(zhì)量和改善產(chǎn)品性能。
 

　　2.幾個(gè)重要概念及其誤區(qū)

　　a)什么是CAD?

　　CAD,，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD),，其概念和內(nèi)涵正在不斷地發(fā)展中。1972年10月,，國際信息處理聯(lián)合會(huì)(IFIP)在荷蘭召開的“關(guān)于CAD原理的工作會(huì)議”上給出如下定義：CAD是一種技術(shù),，其中人與計(jì)算機(jī)結(jié)合為一個(gè)問題求解組，緊密配合,，發(fā)揮各自所長,，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科方法的綜合性協(xié)作提供了可能,。CAD是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具,，對產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖,、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱,。

　　b)什么是CAE" title="CAE">CAE?

　　CAE(Computer Aided Engineering)計(jì)算機(jī)輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析,。一方面,，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題,，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答;另一方面,，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化,，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間,，避免了低水平重復(fù)的工作,，使工程分析更快、更準(zhǔn)確,。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì),、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用,，同時(shí)CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展,，技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。

　　c)什么是設(shè)計(jì)(Design)

　　最簡單的關(guān)于設(shè)計(jì)的定義,、就是一種“有目地的創(chuàng)作行為”,。

　　根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)師 Victor Papanek 的定義，設(shè)計(jì)(design)是為構(gòu)建有意義的秩序而付出的有意識的直覺上的努力,。更詳細(xì)的定義如下：

　　第一步：理解用戶的期望,、需要、動(dòng)機(jī),，并理解業(yè)務(wù),、技術(shù)和行業(yè)上的需求和限制;

　　第二步：將這些所知道的東西轉(zhuǎn)化為對產(chǎn)品的規(guī)劃(或者產(chǎn)品本身)，使得產(chǎn)品的形式,、內(nèi)容和行為變得有用、能用,，令人向往,，并且在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行。(這是設(shè)計(jì)的意義和基本要求所在)

　　這個(gè)定義可以適用于設(shè)計(jì)的所有領(lǐng)域,，盡管不同領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)從形式,、內(nèi)容到行為上均有所不同。

　　1978年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng) Herbert Simon 發(fā)表著名文章對設(shè)計(jì)給出著名定義“設(shè)計(jì)就是找到一種行動(dòng)方式 ,，目的是把現(xiàn)狀變成自己更喜歡的樣子 ”

　　d)幾個(gè)誤區(qū)：

　　i.誤區(qū)1 計(jì)算機(jī)輔助制圖是CAD

　　計(jì)算機(jī)輔助制圖(Computer Aided Drafting),，簡寫為CAD，譬如我們熟知的AutoCAD輔助制圖軟件,，幾乎成了CAD的代名詞,。目前我國絕大數(shù)機(jī)械工程師都是二維或三維軟件的使用者，他們最終都需要生成二維工程圖紙,。三維制圖和二維制圖最大的區(qū)別是直觀性大為增強(qiáng),，但是本質(zhì)上沒有改變制圖的地位。因此計(jì)算機(jī)輔助制圖不是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),。

　　ii.誤區(qū)2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)就是CAD

　　從前面關(guān)于設(shè)計(jì)的定義,，設(shè)計(jì)包含了人,、知識、工具,、環(huán)境等多方面的結(jié)合,，因此CAD僅僅只是工具，利用適合設(shè)計(jì)者的工具可以幫助設(shè)計(jì)者更快,、更好的進(jìn)行設(shè)計(jì),。

　　iii.CAE是有限元分析(FEA)

　　CAE(Computer Aided Engineering)計(jì)算機(jī)輔助工程，涉及到多學(xué)科的問題,，針對不同的學(xué)科,，產(chǎn)生了各種仿真分析的數(shù)學(xué)工具。如FEA(有限元分析),，多體動(dòng)力學(xué),，CFD(計(jì)算流體力學(xué))，有限差分法,，邊界元法,，無網(wǎng)格法，加權(quán)余量法等等,。他們針對不同的領(lǐng)域,，各具優(yōu)勢。如FEA適合解決結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,、剛度,、疲勞等問題;多體動(dòng)力學(xué)適合解決多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性;CFD適合解決流體的流動(dòng)和熱問題;因此FEA僅僅是CAE的一個(gè)領(lǐng)域。

　　iv.誤區(qū)3 CAE獨(dú)立于CAD

　　從前面關(guān)于CAD的定義“ CAD是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具,，對產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì),、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱,。”CAD中必須含有分析(CAE),，也就是說面對設(shè)計(jì)，CAE是CAD的子集,，缺少了CAE的CAD系統(tǒng)是不完整的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),。下圖徹底揭示了計(jì)算機(jī)輔助制圖、CAE和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的真正內(nèi)涵,。

　　現(xiàn)在幾乎所有的CAD廠家都認(rèn)識到CAE的重要性,，都先后在CAD環(huán)境中加入了CAE，雖然功能有弱有強(qiáng),，但是都充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)分析一體化是CAD/CAE系統(tǒng)的發(fā)展方向,。下面將具體論述設(shè)計(jì)分析一體化的CAD/CAE系統(tǒng)的將成為發(fā)展的必然。

　　3.以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向

　　在制造型企業(yè)中CAE的目的優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),，因此分析應(yīng)該無縫融入到設(shè)計(jì)過程中,。因此,，單一無縫的CAD/CAE界面是使用的基礎(chǔ)。另外,，仿真分析如何無縫的融入設(shè)計(jì)過程,，減少設(shè)計(jì)人員使用CAE系統(tǒng)的難度也是目前發(fā)展的方向。仿真向?qū)У燃夹g(shù)精彩的體現(xiàn)了“以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向”的先進(jìn)思路,。

　　下面以SolidWorks的Simulation產(chǎn)品簡單介紹,，從SolidWorks2009開始，其著名的FEA軟件COSMOSWorks改名為SolidWorks Simulation,。其為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案,，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面,，仿真流程無縫融入到SolidWorks的設(shè)計(jì)過程中,。

　　SolidWorks Simulation的仿真向?qū)В韵骂檰栂驅(qū)В核憷檰?圖2),、性能顧問(圖 3),、約束和載荷顧問、連接顧問,、結(jié)果顧問

　　圖2算例顧問 圖3性能顧問

　　4.分析功能高級化;

　　實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)用環(huán)境非常復(fù)雜,，因此僅進(jìn)行零件級別的分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須進(jìn)行系統(tǒng)及部件級的分析,。但是系統(tǒng)及部件級的分析存在著相當(dāng)?shù)碾y度,，下面分別論述。

　　a)系統(tǒng)及部件級分析

　　以FEA為例,，為了實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的分析,，設(shè)計(jì)的幾何部件會(huì)需要不同的單元類型，實(shí)體,、殼、梁,、桿進(jìn)行離散,。而且需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。

　　其中連接關(guān)系的處理尤其重要,，涉及到螺栓連接,、銷釘連接、彈簧,、點(diǎn)焊,、軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系(圖4)。

　　圖4 面向設(shè)計(jì)者及分析專家的裝配體連接關(guān)系

　　b)多領(lǐng)域的全面分析

　　任何一個(gè)產(chǎn)品決計(jì)不能僅考慮靜強(qiáng)度,，必須考慮多領(lǐng)域的問題,，比如靜強(qiáng)度,、動(dòng)強(qiáng)度、模態(tài),、疲勞,、參數(shù)優(yōu)化等。圖5展示了在統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析,。

　　圖5統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析 圖6 面向設(shè)計(jì)者的多場耦合分析

　　c)面向設(shè)計(jì)者的多場耦合

　　熱-結(jié)構(gòu),、流體-結(jié)構(gòu)、多體動(dòng)力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場分析是目前分析中的一個(gè)重要發(fā)展方向,，他可以解決非常復(fù)雜的工程問題(圖6),。

　　d)特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求

　　面對很多行業(yè)有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模塊,。例如面對壓力容器,，需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具(圖7);面對電子和消費(fèi)品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力(圖8),。

　　圖7壓力容器應(yīng)力線性化 圖8 望遠(yuǎn)鏡跌落分析

　　e)高級分析需求

　　面對日益復(fù)雜的使用環(huán)境,，必須考慮復(fù)合材料、材料非線性,、高級機(jī)械振動(dòng),、非線性動(dòng)力學(xué)等高級分析的需求。5.面向制造的分析

　　面向制造的分析也是目前CAD環(huán)境下的一大趨勢,，例如可制造性分析,、公差分析等。

　　6.易用與性能的矛盾

　　目前CAD/CAE軟件使用上越來越簡單,，但是同時(shí)帶來的矛盾是性能越來越差,，如何提升性能與易用性之間的矛盾是目前的一大難題。因此各CAD廠商分別推出了適合自己產(chǎn)品的新技術(shù),。如SolidWorks2009推出了劃時(shí)代的SpeedPak技術(shù)解決了大型裝配體設(shè)計(jì),、裝配和工程圖性能的問題。其CAE產(chǎn)品線更在大裝配,、多CPU/多核等的FEA分析,、運(yùn)動(dòng)學(xué)及CFD做了極大改善?？蓞⒁姽P者的文章“SolidWorks 2009性能詳解”,。

　　7.人性化及智能性

　　如何使現(xiàn)有的CAD及CAE系統(tǒng)體現(xiàn)以人為本的思想，是目前發(fā)展的一大方向,。因此在面向普通設(shè)計(jì)者時(shí),，對于深?yuàn)W的CAE名詞、概念及方法是必須摒棄的,。

　　因此在使用時(shí)必須站在設(shè)計(jì)者的角度組織CAE使用習(xí)慣及考慮自動(dòng)的上下關(guān)聯(lián)智能操作,。

　　8.知識工程

　　設(shè)計(jì)及分析知識作為企業(yè)最寶貴的財(cái)富,，如何繼承、組織,、歸納和繼承知識是知識工程的一大應(yīng)用領(lǐng)域,。這里面涉及到分析庫(圖9)、及PDM集成CAE技術(shù)等多方面的需求,。

　　圖9 集成在設(shè)計(jì)環(huán)境中的分析庫 圖10 全產(chǎn)品線的開放性

　　9.開放性

　　基于通用系統(tǒng)的專用平臺是很多企業(yè)提高其使用能力和效率的方法,，因此CAD/CAE平臺的開放性是必須的，而且必須能支持最先進(jìn)的.Net技術(shù),，并且能提供基于.Net的SDK" title="SDK">SDK開發(fā)包,。圖10為SolidWorks全產(chǎn)品線的開放性API。