多物理场结构优化设计新工具 - CAXA 3D 实体设计与CAXA CAE - 图文

多物理场结构优化设计新工具——CAXA 3D 实体设计与CAXA CAE

摘要：

结构的优化和设计需要CAD和CAE技术的配合。为了省去不停切换CAD和CAE工具的麻烦，以及减少模型输入、输出引入的误差，当前CAD和CAE技术发展的一个重要趋势是在CAD中集成CAE技术。这样的集成工具可为工程师提供统一的设计环境，明显提高优化和设计的准确性和效率。

但是现有CAD和CAE集成工具一般存在以下问题：1）CAD与CAE交互性不够好。它们有的在CAD中更改模型后需要重新进行CAE设置；或者对CAE的设置比较复杂。2）集成的CAE功能有限，不能准确分析复杂非线性问题。

针对这些问题，CAXA推出CAXA 3D实体设计和CAXA CAE集成设计环境。它具有以下特点：

? CAXA 3D 实体设计和CAXA CAE有良好的交互性。完成一次CAE分析后，如再次更改模型，

仅需单击3个键就可以重新分析、并观察模型改变后分析结果的变化。 ? CAXA CAE使用独有的Sefea（富应变有限元）技术。使用这种技术，分析可以达到二阶元

素的精度，而求解成本只相当于一阶元素。它还能帮助入门级工程师达到专家级分析精度。[1] ? CAXA CAE直接耦合固力、热传、流体、电磁等多物理场，对非线性耦合问题求解更加准

确。[2] 文中将用实例展示CAXA 3D 实体设计与CAXA CAE集成工具在多物理场结构优化设计中的应用。文中还将讨论CAXA CAE技术与传统CAE技术相比，在分析精度或分析速度上的提高。 关键字：CAD/CAE 集成；CAXA CAE；轻量化；优化；多物理性 背景介绍

航空航天器是能在大气层内或太空中运行的各类飞行器。航空技术的发展促进了交通运输的变革，并极大地影响了人类的生活。如飞机作为一种新的交通工具，促进各国的交流和产品的快速运输，此外，它还担负起拍摄、调查、除虫、灭火等功能。航天技术的发展更是为人们产生了巨大的经济和社会效益。它可用于通信、测绘、搜索、导航、气象预报等。

航天器的工作环境严苛，它的工作环境比航空器环境条件恶劣得多。航天器的发射经历各种复杂环境，发射过程中，它需要承受比自身重几十倍到上百倍的推力。航天器的工作环境为高真空、强辐射、失重的极端环境。如果航天器要返回地球，或在其他天体上着陆，航天器入轨后，需要正常工作几个月、甚至到十几年。因此，轻量化、长寿命、低成本、高可靠和承受复杂环境条件的能力是航空航天器结构的基本要求。对于载人航天器，可靠性要求更为突出。

对航空航天器进行结构优化，可使航空航天器性能更优，因此结构优化具有重大意义。结构优化设计能在特定条件下，为结构实现某种目标，如重量最轻、刚度最大等。其中，优化结构使结构轻量化对于航空航天器结构至关重要，因为它能帮助航空航天器节约能源、提高比功率，提高动力性能等。对于一般简单的问题，结构优化使用的方法包括图解法、解析法、同步失效准则法、

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满应力准则法等。对于复杂问题，我们常常需要使用CAE技术优化结构，使结构在满足使用要求的前提下中空化、薄壁化、小型化、复合化，由此大大减轻结构的重量。

良好的结构优化和设计需要CAD和CAE技术的配合。使用CAD、CAE技术的优化过程如下：

? 用CAD技术绘制好模型后，进行一次CAE分析，获得结果，如模型内的应力分布等； ? 根据CAE结果情况，在CAD中修改模型。如在进行应力分析后，根据模型内部应力分布

情况，减少应力小的零件处的材料，增加应力集中处的材料；

? 使用新模型，重新进行CAE分析，比较模型修改前后CAE结果的不同； ? 根据新的CAE结果，再次使用CAD技术修改模型;

? 反复使用CAD、CAE技术进行结构的优化，直到达到优化目的。 然而，很多市场上现有CAD、CAE产品并不能很好的支持结构优化，主要原因有：有的CAD和CAE工具是分开的，优化过程中使用两种软件不停的导入导出模型会引入误差，且用户不方便频繁切换工具；CAD、CAE工具是一体化的，但是耦合性不好，产品界面不统一或每次优化都需对分析重新设置；CAE工具对用户所需有限元分析背景知识门槛较高；现有CAE工具难以学习；市场上现有CAE产品功能不够强大；市场上现有设计工具价格昂贵。

针对这些问题，我们现推出CAXA 3D 实体设计和CAXA CAE这一组CAD/CAE一体化工具。该工具具有CAD/CAE耦合程度高、CAE求解准确快速、CAE设置简便易学、用户门槛不高、直接耦合多物理性分析等显著优势。本文将结合具体优化实例，介绍CAXA 3D 实体设计和CAXA CAE这一组新一代CAD/CAE设计工具。 CAXA CAE介绍

FEA（Finite Element Analysis，有限元分析）广泛应用于工业界，可帮助产品设计，降低研发成本，提高产品可靠性和质量和用于研究失效原因等。但是截至目前，国内很多设计师和CAD用户尚未使用FEA，其中主要原因为：他们缺乏足够的FEA背景，现存FEA软件难以学习或使用、功能不够强大，并且价格昂贵。为克服这些壁垒，CAXA隆重推出完全集成于CAXA的“CAXA 3D 实体设计 2015 CAE” (CAXA CAE)解决方案。 “CAXA 3D 实体设计 2015 CAE” (CAXA CAE) 是最新一代、针对一般入门级至高级设计模拟需要而开发的强大CAD/FEA集成工具。

CAXA CAE 重视为CAD用户提供轻松简便的操作体验，能够分析包括应力、热和静电等多物理性的完全耦合问题，可进行以下分析类型：

? 静态/稳态分析 ? 动态/瞬态分析 ? 模态分析/振动模式分析 ? 不稳定分析 ? 频域分析 CAXA CAE把全部功能添加到标准CAXA解决方案中，为用户带来足以进行设计体验的有限节点的版本。尽管该版本限制了可用的节点数量，但是CAXA CAE使用了SefeaTM （Strain-Enriched FEA，富有限元分析）技术，使产品拥有的扩展能力可在较粗网格下依然足够完成产品测试。SefeaTM 是特别为CAD模拟常用的低阶四节点元素开发的，是最新的、丰富有限元素的公式。它可以达到二阶元素的精确度，且拥有更好的鲁棒性，无中、边节点噪声，大幅度降低计算成本，以及帮助入门级用户达到专家级用户分析精度等优点。

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CAXA CAE与CAXA CAD实现无缝集成，CAXA拥有了强大的多物理分析功能。用户可以通过添加材料、外力、约束，再单击“自动求解”来快捷添加网格并得到分析结果。若分析之后用户调整了CAXA模型，两程序的关联性允许用户几秒内容易地更新并再次进行求解分析。 CAXA CAE优化方法介绍实例展示 多物理性优化设计操作实例 第一部分：开始简单的应力分析

1. 建模。将鼠标移到“设计元素库”中，将“长方体”拖动至操作窗口。单击长方体，长方体

上出现六个红球样的操作柄，将鼠标移到红球上右键，选择“编辑包围盒”，将长方体的长宽高改为4*4*1。建模完成后，使用CAXA功能区“文件>保存”保存模型。下图显示了编辑长方体几何尺寸的截图。

Fig. 1 编辑长方体几何尺寸

2. 新建有限元分析并选择分析类型。将鼠标移到有限元分析主工具条上，单击“添加FEA”按钮

（），在弹出的“选择分析类型”对话框中，选择所需的类型和维度。这里我们选用“静态/稳态分析”，维度为“3D”：

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Fig. 2 选择分析类型

3. 在屏幕右端弹出“Multiphysics FEA”选项卡。选项卡的上半部分是有限元分析树，树图中

有模型等分析叶。一般来说，所有分析均可通过由树的顶部至底部依次填写各叶而完成设置。有的分析叶前有双问号（如“模型”前的“？？”），表示这个叶还未进行设置。

首先有限元分析树下显示的是顶级叶的页面，Analysis（分析）页面。我们确保勾选物理性下面的“应力”，这样表示我们将进行应力分析。

Fig.3 分析页面

4. 单击“？？模型”下面的“？？默认材料”。默认材料是材料库中的第一个材料，修改材料

可通过“类别”和“名称”下拉菜单。这里我们使用默认材料即可。可单击“编辑材料”来查看或编辑材料的线性性质。确保勾选材料物理性下的“应力”：

Fig.4 材料页面

5. 单击“？？约束”后，在约束页面单击“位置和旋转”后弹出固定位置页面，选择模型的一

个侧面，页面默认将所选实体（实体列表中的实体）的全部方向固定为0，符合我们的要求，因此不做更改，单击绿色对号。

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