发挥CAE在制造企业中的作用

[摘要]　为了研究CAE工程分析在制造企业的应用，通过对CAE应用现状分析，CAE应用分类，CAE分析的作用以及CAE部门设置的探讨，论述了在传统制造企业中发挥CAE作用的重要意义和连径，

[关键词]　计算机辅助工程；工程分析；工程所；制造企业

许多生产企业，包括传统的制造企业都开始应用CAE，也就是仿真分析或工程分析，有的甚至成立了专门机构。然而，人们对CAE重要性的认识却远远不够。或只停留在口头上，对如何发挥CAE应有的作用更是雾里看花。因此，有必要对CAE在企业中的应用进行深入的研究。

一、CAE应用分析

1.CAE技术的重要作用。CAE技术能在优化产品设计、提高产品质量、减少试验样品、缩短产品研发周期、降低产品成本等方面发挥巨大作用，可为企业取得明显的经济效益。CAE仿真分析不仅是企业进行创新设计的重要途径，而且已成为与理论研究和物理实验同等重要的研究手段。CAE技术对于我国从制造业大国向制造业强国转变具有重要意义。现在许多领域，已经把CAE分析报告作为新产品或重大变型产品验收的一个重要依据，这是一个明显的发展趋势。所以，尽管技术需要经验，但在现代企业中，技术不能光靠经验来支撑，而必须在利用各方面优势的同时，充分发挥CAE推动和保障技术进步的重要作用。

2.CAE的应用。CAE(ComputerAidedEngineering)的本意是“计算机辅助工程”，人们一般称之为仿真分析或工程分析。CAE部门可以称为“产品工程研究所”或“工程所”。在应用CAE时，要谨防陷入以下误区：(1)把CAE工程分析当做附属性的东西CAE在现代企业技术体系，尤其是在产品研发体系中，是一个实实在在的事物，有着相对独立的架构，起着非常重要的作用。(2)把CAE工程分析当做“花瓶”：CAE工程分析可以极大地提升企业的形象，而更重要的是增强企业的实力。所以，要把CAE作为不只是一项“面子”工程，更是一项重要的“里子”工程。(3)对CAE工程分析“重视”，而不“重用”。加强CAE应用，不是一个应急措施，更不应只是一句口号，需要付诸实际行动，以务实的、长期的、系统的理念应用和发展CAE。

二、CAE应用分类

对CAE分析可以有多种分类法，从应用领域和作用上分，有设计校核、优化设计、工艺性分析、质量事故分析、虚拟原型设计和问题研究等。从运用的分析手段和工具类型来划分，又可分为三维辅助分析、结构有限元分析和机械系统动力学分析等。(如图1)就是对CAE应用的一种实用分类。

(1)三维辅助分析。运用三维设计软件具备的辅助分析功能。利用三维设计形成的实体模型或单独进行的实体造型，对零部件进行设计校验、几何特性分析、虚拟装配、干涉检查和简单的机构运动分析等。(2)结构有限元分析。有限元分析(FEA，FiniteElementAnalysis)是以计算机为工具的一种数值计算分析方法。它是CAE分析的重要组成部分，CAE的应用首先是从有限元分析开始的。结构有限元分析是有限元分析在机械结构方面的一个应用。主要包括结构静力学分析和结构动力学分析。结构静力学分析主要研究的是机械结构的应变、应力，即刚度和强度等问题。包括线性问题和非线性问题，非线性问题涉及几何非线性、材料非线性和接触非线性三种情况。结构动力学分析包括模态分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析和随机振动分析等。我们常用到的有模态分析，即确定结构的模态和振动特性和瞬态动力学分析，即计算结构对随时间变化载荷响应，如震动、冲击和碰撞等问题。(3)机械系统动力学分析。随着计算机技术的发展，机械系统动力学仿真和分析越来越成熟，多体系统动力学是其理论基础。多体系统动力学分析是虚拟样机技术的核心。多体动力学分析主要研究的是运动机构的运动和力的关系问题。具体指标包括力、位移、速度和加速度等。利用多体动力学软件，可以对机构进行静力学(静平衡)分析、运动学分析和动力学分析等。

三、CAE与产品研发

CAE与设计和工艺的关系最为密切，都是产品研发的一个重要组成部分。然而CAE是做工程分析的。它的职能、作用和工作性质完全不同于设计部门或工艺部门。在CAE的起步阶段，由于设施和人员的不足或缺乏实践经验，将CAE部门挂靠在设计部门。甚至下面的某个科室，也未尝不可，甚至是一个切实可行的办法。就像现在企业中的信息管理部门，最初多数是计划部门中的一个室，那时，同样可以发挥其阶段性的作用。但如果长期不能理顺工程、设计和工艺之问的关系，势必会影响CAE工程分析作用的正常发挥，进而影响企业技术的进步甚至整个企业的发展。

四、CAE工程分析部门

在现代制造企业中，CAE机构作为一个相对独立的部门，具有不可替代的作用。

1.CAE部门的位置。企业技术中心的核心是产品研发中心，可称为产品研究院。此外，质量管理部门、实验测试部门、科研管理部门和信心管理部门等也是企业技术中心的重要组成部分。CAE工程分析部门(工程所)与产品设计部门(设计所)和工艺部门(工艺所)紧密联系，共同构成产品研发中心(产品研究院)。工程所负责整个企业的CAE仿真分析。可以根据实际需要和具体情况，设专门负责结构有限元分析、多体动力学分析和三维辅助分析的相关科室。

2.CAE部门与相关部门的关系。(如图2)把CAE工程分析部门放在中心位置进行考察，它与设计部门、工艺部门的联系最为紧密，它们共同构成一个核心层，即产品研发中心。与质量管理部门、科研管理部门、信心管理部门和实验测试部门也有较多的联系，它们共同构成一个中间层，即企业技术中心。此外，必须加强CAE工程分析部门与其层的生产制造部门、物资供应部门、市场营销部门以及产品检验部门等的联系。这些部门某些工作需要工程分析部门协助完成，或者为工程分析提供某方面的资料。

要充分发挥CAE技术在制造企业中不可替代的重要作用，必须研究和细分CAE应用，理顺工程分析部门在产品研发中心中与设计部门和工艺部门之间的关系，同时要加强与企业中其它相关部门之间联系。