CAE仿真揭秘：工作原理与重要性全解析

计算机辅助工程 (CAE) 仿真的工作原理是使用计算机将产品的3D模型划分为更小的元素；对几何体施加载荷和边界条件；然后求解刚度矩阵以确定产生的行为和响应。

CAE仿真使产品开发公司能够处于行业的前沿地位并将产品快速推向市场。让我们更深入地了解它的工作原理以及它如何使您受益的吧。

CAE 仿真领域

CAE 仿真可用于多种分析，包括：

• 结构分析会发现负载下物体的应力、应变和位移，这些应力、应变和位移可以是静态的或动态的（随时间或频率而变化）。
• 模态分析可以确定对象的固有频率和模态振型。了解这些模式有助于避免由于附近的振动源引起的共振。
• 热分析可以计算经过传导、对流和辐射后物体的温度和热通量。分析可以是稳态（平衡）或瞬态（随时间）的。
• 流体分析可以评估液体和气体在目标零件周围和通过目标零件的运动，以测量温度、压力、流速和涡流。

图片：Creo中涡轮发动机的流体流动研究。

如何实现

结构、模态、热或流体分析的四个主要输入是：

1.元素网格。

2.材料特性。

3.约束。

4.载重。

网格代表要分析的物理对象和/或其内部或周围的流体（液体或气体）。由于大多数零件和装配体过于复杂而无法用封闭形式的方程求解，因此数值问题求解方法采用“分而治之”的方法。CAE 仿真工具将产品的体积分解为更小的元素——四面体（金字塔）、块（矩形）和楔形（挤压三角形）。这些元素的节点（角）用于构建模型的“刚度矩阵”。

材料属性描述了现实世界中的物体对载荷的反应。CAE 仿真的常见材料属性包括密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、热导率和比热容。

约束代表现实世界的边界条件，其中物理对象被压制或某种界面条件（如温度）。

• 结构约束可以阻止对象发生运动。
• 热约束包括已知的固定温度和对流条件。

模态分析可以是受约束的或不受约束的。流体分析需要出口压力和至少一种入口条件，如压力、质量流量或流速。约束是必不可少的，因为它们允许刚度矩阵中的方程减少到可解的变量数量。

负载可以模拟您希望产品遇到的真实条件。结构载荷包括力、力矩、压力、重力和离心加速度。热流和热通量等热载荷可用于热分析和流体分析。

定义这四个输入后，即可运行分析。然后用户可以生成数字和图形结果来确定安全系数和边际。这些值决定了产品是否可用或需要重新设计。

为什么它如此重要

CAE仿真为您的产品开发组织提供了一个差异化优势，可以通过以下方式更快地以更低的成本进入市场：

• 以更少的迭代完成初始概念和详细设计。
• 生成可以实现一次质量合格率的原型，让您更加确信它们已针对其操作条件进行了验证。
• 将您的测试程序缩小到仅验证产品所需的那些运行。

您正使用产品的虚拟版本来减少开发时间、制造工具以及材料和资源成本。更可靠的产品可以提高客户满意度，并降低制造商的服务和保修成本。

CAE仿真工具使我们能够在不同的设计方案之间进行选择，而无需进行原型设计和测试。这些仿真工具还使我们能够设计在我们的电机频率下不会出现共振的结构部件。奥地利跑车和摩托车制造商KTM报告称，由于采用了CAE仿真工具，上市时间缩短了15%，燃油经济性提高了10%。

CAE 仿真能让您受益吗？

如果您尚未在工作流程和流程中使用CAE仿真，您可能会错失提高效率的机会。更糟糕的是，您的竞争对手却可能因此而获得优势。如果您希望在制造更好产品的同时改进进度和预算，CAE仿真应该是您首先关注的方面之一。

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