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2011产品创新数字化峰会征文:制造业CAE应用难点与对策

2011/12/4    来源:e-works    专家:杨鼎宁      
关键字:CAE集成  CAE应用的难点  CAE的特点  CAE应用实践  
本文讲述了力学的发展,指出传统力学的弊端,而CAE讲求综合性、实战性、终极性,它沿着力学分解的反方向走,寻求打破传统力学划分的界限,搞的是力学融汇,追求工程力学/一般力学/固体力学/流体力学的完美归一,融入共通的平台。

1 力学与CAE

    纵览力学六十年发展,呈一放一收两个历程。力学的发展历程是发散性,主要表现在从上世纪五十年代到八十年代,力学发展出很多新的分支,理论及算法也趋于多样化,向纵深领域拓展,但专业化程度越来越高,意味着研究面越来越窄,解决专业性极强的理想(简化、忽略工程细节或粗枝大叶)问题,放的进程使力学家彼此越来越远;力学发展收的历程发生于近二十年,通过CAE实现,把各类工程问题往一起收,寻求在一个平台内解决,力学也随之收网,力学家愈走愈近,称之为CAE集成——基于CAE统一的平台、算法,统筹各类资源,此时考虑的因素更多、更全面,对工程问题形成一个完整的包络,给出完美的解答(TOTAL SOLUTION)。专业力学具有封闭性、纯净性、提炼性。传统力学课程(理论力学/材料力学/结构力学)划分,以及力学专业划分,一定程度上有其合理性,每门力学都有严格的范畴,所能化解的问题受限,所求的是定解,定向(打靶式)解决专业性强的工程问题,工程力学专家、固体力学专家、一般力学、流体力学专家,都只关注各自的领域,这导致其在实践中的应用受限。而CAE讲求综合性、实战性、终极性,它沿着力学分解的反方向走,寻求打破传统力学划分的界限,搞的是力学融汇,追求工程力学/一般力学/固体力学/流体力学的完美归一,融入共通的平台。

2 CAE的开放性、交叉性、灵活性

    有别于传统力学,CAE是开放的。海纳百川,它以工程为中心,吸纳进各类资源,形成系统化分析平台。 CAE具有交叉性。CAE考验工程师融会贯通的能力,要求工程师审时度势,通盘考虑,统筹各项技术,把离散的知识汇聚到有限网格之中,融入完美的求解体系。

    CAE也具有灵活性。工程中的问题活,它并不是按已经划分的学科类别出现,CAE也是活的。CAE讲求积极、主动、大胆地破解结构,灵活地组织资源,个性化地赋予载荷、边界条件。CAE追求原汁原味、高保真,保留尺度大大优于传统力学中的简化。工程中的力学问题,能够被解析的,基本上都可以纳入CAE平台求解;而CAE的后处理结果,则需要有一定的力学基本功,方能鉴赏。因此,在实践中,两者是相通的。我们在求解工程问题时,需要把思维提高到CAE层面,用网格的眼光来审视眼前的结构,领悟结构的内涵,思维与结构的交汇,就是模型的落点。

3 制造业CAE应用的难点与对策

    当前,我国制造业CAE应用还存在很多难点问题。我认为主要包括以下方面:
 
    1) 理论基础不完善:国内缺乏成形的CAE理论与成熟的CAE技术专著,CAE从业人员的知识落伍,力学、有限元背景支离破碎。二十年间,CAE呈爆发式发展,工程师匆匆上路,理论根底浅。其中,一方面,泛泛的CAE缺乏严格的理论导引,其自身技术脉络不清晰;另一方面,国内结构分析教材大多沿袭钱令希先生版结构力学,其原始蓝本源于十九世纪末二十世纪初的欧洲教材,除面向土木桥梁偏窄的特点外,其内容也欠缺动力学部分,因此用现代的眼光看,是个半截子教材。材料力学、理论力学、弹性力学也是如此。百年来,力学分析的重心、着眼点、范畴、方法、精度都在改变,而过于精炼、纯粹的古典力学教程,使得CAE从业工程师的知识严重老化落伍。有限元背景不佳是另一个方面,很多工程师甚至都没有学过有限元。搞行业问题需要炉火纯青的CAE技艺,需要实现静力学、动力学、有限元的高端衔接,否则失误在所难免,很容易做偏。

    2) 工程问题没吃透:对产品深层的物理性质认识不清,对核心问题的属性、难度、高度认识不足。搞CAE,首先要明确为什么要算,以及算的是什么。要求工程师对产品及其工况有个通盘全面的认识,然后加以最精准的提炼和抽象,然后再行组织建模。根据我自己的经验,即便有充足的力学背景,算过很多题,解决一项行业难题,也至少需要进入行业,呆上三个月,考察设备实际作业工况,在现场提高对结构的认识,了解以往的求解过程,多方面汲取领域工程的精华营养,并在仿真的同时,做一定的试验,才能取得成功,进而拓展。

    3) 人员配置不合理,载荷问题没解决好:需要单独组织载荷分析人员,完成拆结构、提载荷的任务,载荷计算和结构分析人员,正常的配比是1:1,这方面航天和电站设备领域做得好,其本身产品(基础)理论也成型、系统。

    4) 试验没跟上:工程师拿软件算出个数很容易,这数和实际相差多大工程师心里没谱,其中很多人,甚至大学里的光测力学也没学过,因此对实际结果缺乏感性认知。CAE从简到繁,由易到难,自浅及深,试验的保障都必不可少。
 
    5) 没抓住技术精髓,综合运用能力差:技术要抓住精髓,要深入软件内核,抓住CAE技术的精髓;要抓住结构力学、弹性力学、材料力学的精髓,把它应用到CAE中来;要抓有限元技术的精髓,调节CAE算法;同样,也要抓住行业产品——水轮机/核电/航空/航天/舰船/机械结构的精髓,摸索CAE破解之道。基础倘若不牢,破解工程难题就是望梅止渴。

    解决CAE应用这些难点问题的对策是:工程师要把力学、CAE内核、产品三者融会贯穿,在掌握扎实的理论上,对问题的理解、对软件(能力)的操持有一定灵活性,有效调配手上资源,综合运用各项技能,准确把握诸环节,悉心部署节点、单元,有条不紊地定义边界、求解,最终水到渠成。同时,做CAE,不是一蹴而就的事情,仅仅靠说明书肯定不够,在解难题的时候,弄通内核原理,对软件加以必要改造—软件许可二次开发,并将实际工程(过程)因素考虑进来,做必要的补充,并避开软件的盲区,才能成功,因此,更深的功夫,在建模以外。

 

责任编辑:程玥
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