CAE与FEM分析的设计方法

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：设计人员CAE和分析人员CAE的关系还有一点需要澄清的是，面向设计人员的CAE和面向分析人员的CAE是有差别的。设计人员CAE和分析人员CAE的业务分工设计人员CAE和分析人员CAE的分工也是有区别的。这些设计人员CAE特征使得设计人员能够对设计方案进行快速检验和修正，进而提高设计的品质。其主要内容包括对强度以外的设计目标的CAE详细分析，多物理现象的耦合分析，用于强度保障的多目的非线性分析等。

（1）区分CAE和FEM以及计算力学在很多情况下，许多人对CAE、FEM和计算力学不加区分。面向设计且以设计为依据的设计CAE不同，FEM作为一种计算方法，更注重的是分析计算的算法；计算力学是FEM的延伸，也是以方法论为主；而CAE是以工程目的和设计目的为主。企业需要考虑的是如何使自己的产品在市场上具有竞争力。由于历史的原因，国内大部分企业没有CAE经验，常是只会使用工具而不知如何定义条件，有时还出现本末倒置，把做网格当做CAE的现象。在本书中注重了分析的工程应用，所以均以CAE来称呼分析。

（2）设计人员CAE和分析人员CAE的关系　还有一点需要澄清的是，面向设计人员的CAE和面向分析人员的CAE是有差别的。分析的目的和使用的人员、采用的工具都与设计有所不同。分析工具面向的是分析家，而设计工具面向的是设计师。考虑到三维设计和分析的主要目的是为了在最短时间内完成高品质的产品设计，可以从质量工程学的狩野方法（Kano Method，见图0-5）来看面向设计人员的CAE和面向分析人员的CAE的不同和分工。最早运用质量工程学方法来表现设计人员CAE和分析人员CAE之间关系的是美国密歇根大学的菊池教授（见笔者和他的谈话^［1］）。下来将具体分析二者之间的有机联系和对设计负有的不同责任及目标。

设计期待的是什么？对企业来说，从设计的观点出发，针对设计人员的期待和针对分析人员的期待是不同的。我们从用户的满意度和产品设计要求的满意度两方面来考量。对于产品品质来说，有些品质即使是消费者也不关心的或者不感兴趣的，而这些消费者不感兴趣的品质又都是必须满足的，可以称为当然品质；还有一种品质称为魅力品质，也就是一个产品所含有的为消费者所感受到的魅力。而产品只具有当然品质而没有魅力，就不具备竞争力。以汽车为例，车子的制动性能是一种当然品质。大家在购买汽车时，当然认为在踩踏制动后汽车就会减速并停止行使。在当然品质出问题时，产品就要被召回，给企业造成直接经济损失。而汽车的油耗性能和外形特征等，属于魅力品质的范畴。在客户挑选产品时，对于当然品质，在潜意识里认为当然是必须具备的，从而更关心魅力品质。在企业产品的设计实践中，设计人员是创造魅力品质的主体，因为大部分的魅力品质在设计人员定下产品的设计参数时就已经决定了。而分析人员本应担负的工作是对产品性能作最终的保证，即保证产品的当然品质。

（3）设计人员CAE和分析人员CAE的业务分工　设计人员CAE和分析人员CAE的分工也是有区别的。由于业务的中心是设计本身，CAE是服务于设计的，必然就要求设计人员不应将大量的时间和精力用在CAE的具体操作上，但要求CAE可以提供大部分设计所需要的分析结果。这样一来，设计人员CAE的特征是，要求大部分的分析工作是可以自动化或半自动化的，如网格要尽量可以自动生成；其工作是对主要设计目标进行分析，并以单一目标的线性分析为主；目的是从分析的结果来定型（产品的形体、尺寸）。这些设计人员CAE特征使得设计人员能够对设计方案进行快速检验和修正，进而提高设计的品质。

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图0-5 从质量工程学的观点来看CAE

而分析人员的CAE（主要是有限元分析），是对当然品质的保障。其主要内容包括对强度以外的设计目标的CAE详细分析，多物理现象的耦合分析，用于强度保障的多目的非线性分析等。

因此，二者的分工是有所不同的。而目前国内很多企业里CAE应用的一个最大的问题是只有分析人员的有限元，而没有设计人员的CAE。这恰恰背离了CAE最初提出时的理念——CAE作为设计工具服务于设计人员。

还有重要的一点，就是能否从CAE回到CAD，而这将决定产品的魅力品质，但目前却被忽略了。一般来说，如果CAE系统是独立于CAD的，那么产品发生设计变更时，数据则不方便回到CAE系统中，这会给设计带来问题。如果两个系统是集成的，那么变更后的数据就可以直接反映到CAE系统中，变成用于分析的数据，而CAE分析后的计算数据又可回到CAD系统中，进一步优化设计。因此，从CAE回到CAD也是非常重要的。

CAE与FEM分析的设计方法

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