CAE技术简述

1、CAE简介

近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程技术（(computer-aided engineering, CAE）应运而生。CAE分析利用虚拟样机取代物理样机，使得分析者得以基于数字原型对产品的物理行为进行模拟仿真，分析和预测结构的强度、刚度、稳定性和疲劳寿命等性能，为产品研发，优化结构的设计提供指导，为解决实际工程问题提供依据。大大缩短设计-分析周期，加速了设计-分析迭代，对产品创新能力的提升有着重要的意义。尤其是在航空发动机的设计中，CAE计算分析是不可或缺的一部分。

航空发动机的设计研发是一个非常复杂的过程，每一个零部件，每一个支架都需要经过反复推敲，反复计算。CAE计算分析成为了结构分析和结构优化的重要工具，并且提高了设计的可靠性，缩短了设计周期，降低了设计成本。航空动力装备有限公司自成立以来一直通过CAE-设计-试制-试验验证的路径来进行发动机的研发与轻量化设计。在该路径下，CAE先行并贯穿于产品设计和研发的整个过程，使得产品设计更可靠更有效率。

2、有限元分析

CAE分析主要指用计算机对工程和产品进行仿真模拟，分析其性能与安全可靠性，以及工作和运行状态，及早发现设计缺陷，并证实工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。CAE分析方法的主体是有限元(FEA，Finite Element Analysis）分析。

有限元分析是利用数学近似的方法对物理几何和加载工况进行仿真模拟。有限元分析将几何结构离散化为有限数量的单元元素，根据每个单元之间的相互作用，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到复杂问题的解，逼近无限未知量的真实系统。有限元计算不仅计算精度较高，而且可以适用于各种复杂形状，因而成为非常有效的工程分析手段。

早在几个世纪前，人们将圆划分为有限个直线单元来逼近整个圆，求得圆的周长，这是对有限元思想最早的应用。近年来，有限元被作为一种方法提出逼近物理样机，利用发达的计算机技术进行求解，广泛应用于航空器领域的结构强度计算，模态分析，疲劳计算等等。

有限元分析先将几何结构离散化为单元网格，然后根据单元与单元之间的关系作用建立矩阵方程，再利用计算机强大的计算功能求解方程，从而模拟仿真物理结构的工作状态，可靠性等。单元网格的质量直接影响有限元计算的精确度。图2为目前较为常用的单元网格。

3、CAE分析一般流程

CAE工程分析一般主要包含三个步骤：有限元分析前处理、有限元分析求解、有限元分析后处理。

有限元分析前处理：应用CAD建模软件对分析对象进行实体建模，进而建立有限元分析模型，其中包括对分析对象进行合理的简化。将CAD模型导入CAE软件中（也可以利用CAE软件中的建模功能直接建模）。然后运用CAE软件对分析对象进行网格划分，设置材料及载荷条件，边界条件等，从而建立合理的有限元分析模型，并生成有限元计算所需的数据文件供求解器使用。

有限元分析求解：（此部分工作由系统自行完成）求解器接收到前处理生成的数据文件后，软件会针对有限元模型进行单元特性分析，建立单元刚度矩阵，进而组装整体刚度矩阵，然后建立整体平衡方程，最后进行有限元系统求解并生成分析结果等。在通用有限元分析软件中，计算时间跟计算规模和硬件系统有关。航空在很早就引进大型服务器进行计算，使得CAE计算速度较为迅速。一般大型通用CAE软件在实施有限元分析时，大都根据工程问题的物理、力学和数字特征，分解成若干子问题，由对应的分析子系统去完成，如：线性静力分析、动力分析、振动模态及响应分析、热分析、电磁分析、流体分析、非线性分析和优化设计等子系统。

有限元分析后处理：根据工程实际的需要，对有限元分析的结果进行加工和处理，通常以表格、图形、图像和动画等方式获得分析结果，从而可以直观合理地对结构进行分析评判。具体包括所求物理量的极值与位置，分析对象各个部位和剖面上的有关物理量的分布情况，如结构变形云图、应力分布云图和振型图等。

4、结语

随着科技的不断进步与社会经济的快速发展，航空产业在开发设计中对CAE技术的应用越来越频繁。CAE技术不仅能够降低设计研发成本，缩短开发周期，规避某些试验风险之外，还能够通过相关技术原理最大限度的发挥自身优势，有效保障各零部件设计的质量和效率，以自身直观性特征展现发动机的真实的一面。此外，通过对CAE技术的有效应用，可实现对发动机产品结构、多体动力学以及安全性能等的全面分析。另外，从实际经验来看，理论分析与试验测试之间应尽可能形成闭环结构，注重两者之间的数据收集、对比，用实际结果反过来指导分析参数的设置，逐渐形成航空的核心经验数据库，为今后新型发动机的开发奠定坚实的基础。