关于CAE的那点事儿

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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6月前浏览10881

本文摘要（由AI生成）：

本文概述了多个CAE软件的特点及优缺点，如ADINA的特殊解法和源代码可改造性，ALGOR的易用性，COSMOS的运算速度优势等。同时提到CAE后处理软件的多样性。文章还讨论了CAE发展趋势，特别是网格划分技术的简化和自动化，以及CAE工程师面临的行业挑战和未来发展方向。文章鼓励CAE工程师扩展能力范围，如结构优化、定制开发和复合材料专业方向等。

1、CAE介绍

CAE是指计算机辅助工程CAE(ComputerAided Engineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。

它是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

CAE到目前为止还是一项比较新鲜的技术（技术年龄60岁左右），对于CAE历史渊源，大家可以随便搜索一些，会有很多，在此不赘述。

对于CAE工程师的初学者来说，在开始会有些不知道何去何从，无从下手，本文对CAE初学者的经常会遇到的问题进行简单的汇总梳理，希望在大家的成长之路上有所帮助。

2、CAE学习选择

学习CAE首先会面对的是学习哪一个方面，CAE设计的知识面之广泛，基本涉及到了当今科技前沿的各行各业，也基本可以说是高端行业，有人称呼CAE是技术之巅的一朵花朵。

学习CAE可能会有下面的问题：

1、学习什么前后处理？

2、学习什么求解器？

3、学习那些分析类型？

4、需要涉及那些行业？

5、专业方向怎么选？

6、 … …

感觉面临着好多的选择？

1、 CAE工程需要了解的概念：

前处理：对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。

有限元分析：对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。

后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。

2、 CAE常用前处理：

当前，比较流行的CAE前处理软件有：HyperMesh，ANSA，Patran，Femap，Ansys等，有些是前后处理集成的软件。

HyperMesh是Altair的功能强大的前处理软件，在CAE行业比较著名。但一般认为入门比较难。前处理专家。在网格划分方面，恐怕没有哪个软件可与之匹敌。其对网格的精密而底层的控制，令人叹为观止。所以，设若要做几何清理，划分网格，HYPERMESH的确是首选。

1、 CAE常用求解器：

目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ABAQUS、OptiStruct、ADINA、ANSYS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。以下为对这些常用的软件进行的比较和评价：

MSC.software公司的NASTRAN

NASTRAN是大型通用结构有限元分析软件，也是全球CAE工业标准的原代码程序。NASTRAN系统长于线性有限元分析和动力计算，因为和NASA(美国国家宇航局)的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。

Dassult公司的ABAQUS软件

ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，属于高端CAE软件。它长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，其系统级分析的特点相对于其他分析软件来说是独一无二的。需要指出的是，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3D。

LSTC公司的LS-DYNA系列软件。

LSDYNA长于冲击、接触等非线性动力分析。LS-DYNA是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由J.O.Hallquist主持开发完成的，主要目的是为核武器的弹头设计提供分析工具，后经多次扩充和改进，计算功能更为强大。虽然该软件声称可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题，但实际上它在爆炸冲击方面，功能相对较弱，其欧拉混合单元中目前最多只能容许三种物质，边界处理很粗糙，在拉格朗日——欧拉结合方面不如DYTRAN灵活。

ANSYS

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，发展了很多版本，但是它们核心的计算部分变化不大，只是模块越来越多，这些模块并不是ANSYS公司自己搞的，而是把别人的东西买来集成到自己的环境里。ANSYS系统擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析,在铁道，建筑和压力容器方面应用较多。

Altair公司的OptiStruct

OptiStruct是一个效率极高、精确独立的有限元求解器,支持在多cpu处理计算机上进行并行运算。该求解器涵盖了标准的有限元类型，可用于进行线性静态分析、模态分析、惯性释放、频率响应分析和屈曲分析。Altair公司为满足不同用户的要求，还提供OptiStruct的基本版，较标准版的价格低。

MSC.software公司的DYTRAN软件

在同类软件中，DYTRAN在高度非线性、流固耦合方面有独特之处。MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCES;INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体结构相互作用功能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法发展而来的。但是，由于MSC.DYTRAN是一个混合物，在继承了LS-DYNA3D与PISCES优点的同时，也继承了其不足。首先，材料模型不丰富，对于岩土类处理尤其差，虽然提供了用户材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去；其次，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加；在处理冲击问题的接触算法上远不如当前版的LS-DYNA3D全面。

ADINA

ADINA是近年来发展最快的有限元软件，它独创有许多特殊解法, 如劲度稳定法(Stiffness Stabilization),自动步进法(Automatic TimeStepping),外力-变位同步控制法(Load-Displacement Control)以及BFGS梯度矩阵更新法,使得复杂的非线性问题(如接触,塑性及破坏等), 具有快速且几乎绝对收敛的特性, 且程式具有稳定的自动参数计算,用户无需头痛于调整各项参数。另外值得一提的就是它有源代码，我们可以对程序进行改造，满足特殊的需求。

Algor

ALGOR属于中高档CAE分析软件，在汽车，电子, 航空航天，医学，日用品生产，军事，电力系统，石油，大型建筑以及微电子机械系统等诸多领域中均有广泛应用。它最大的特点是易学易用，界面友好，操作简单，这可以极大提高软件应用者在工程实际中的效率。

COSMOS

Cosmos相对影响比较小,但Cosmos的最大特点是运算速度快，这是其他软件所不能比拟的。Cosmos的研发者将保证收敛的迭代法--又称做快速有限元法导入COSMOS的产品之中，使新的有限元分析软件对磁盘空间上的要求大幅降低，占用计算机系统的内存也大大减少，因此分析速度大幅加快，超越传统甚多。

其他求解器还有很多…

2、 CAE常用后处理：

常用的后处理软件，有HyperView，Patran，Ansys，AbaqusCAE等。

很难评价哪个软件好，哪个软件不好。就一般使用而言，NASTRAN,ABAQUS,ANSYS感觉都差不多，界面都很友好，操作都很方便。如果说最明显的感觉，就是ANSYS做得很全面，流体分析，电磁分析，多物理场分析超级强大，而非线性分析弱一些；ABAQUS非线性分析最厉害；而NASTRAN则很正规，用户多，但是没有很特别的感觉。萝卜白菜，各有所爱，只是看我们接触哪个最早，使用最多一些。正因为如此，所以有限元软件领域才没有只被哪个软件所垄断，呈现出百家争鸣的局面，这就很好。

CAE发展之路

作为一个CAE工程师，画网格是个技术活。几何体整理、修剪、切割到网格划分，网格质量好坏直接决定于软件操作者的划分思路和操作技术。

但随着有限元软件的迅速发展，主流CAE、CAD软件版本更新速度越来越快，软件自身向更智能化、更自动化、更人性化，也就是更傻瓜化迈进一步。虽然现在网格划分仍然占据CAE工程师工作时间的主要部分，但不能不承认，如今网格划分更加快速，更加简便。近二十年来，网格划分已经经历了手动到半自动到自动化分的转变。

现在很多CAD软件也自带了分析模块，像SolidWorks的Simulation模块，CATIA的仿真模块，CAE过程十分傻瓜，网格划分也十分简单，但是计算并��因为网格划分过程简单化而失去精度。对于很多CAE初学者来说，往往在CAE软件中花费一两天画出的网格，其质量和计算精度还不如在CAD软件里十分钟的自动化分网格和计算。

另一方面，随着现在开发周期的缩短，对于结构设计师的要求也愈来愈高，软件也是在不断提高开发的效率，进一步提高产品的开发效率。

虽然CAE工程师往往被外界称为网格工程师，但网格划分简单化和傻瓜化使得CAE分析的门槛降低，前处理技术的重要性日趋下降，CAE工程师的地位变的尴尬。CAE软件可操作性越来越强，CAE行业入门门槛越来越低。门槛低了，对了初学者来说，是好事，但是如何在日趋激烈的竞争中保证自己的竞争地位，就需要好好考虑一下了。

当前，对于CAE工程师来说，除了掌握基本的强度分析工作之外，更应该扩展自己的能力范围，现阶段的方向有如下几个：

1、结构优化方向