CAE仿真分析规范建立方案
仿真分析规范建立背景
当今产品开发能力的体现主要在以下几个方面，即产品开发流程、开发设计规范、产品数据库、开发手段。产品开发已从结构和功能设计转发向更高层次的产品性能开发，性能优良的产品是产品品质的重要保证。目前产品开发的手段主要是三维数字化设计（CAD）、计算机仿真分析（CAE）、试验测试（Testing），并将三者紧密地在产品开流程中进行协同，以达到缩短产品开发周期、降低开发成本、并能提高产品性能的目的。要达到这样的目的关键是要对产品相关数据进行长期的积累，建立起产品性能开发数据库和产品开发设计规范。
近年来，CAE仿真分析已经在企业得到了广泛的实施与应用，在帮助企业缩短产品设计周期，降低产品设计成本方面起到了重要的作用，因此已经成为产品研发中从总体设计到详细设计各个设计阶段以及从气动、传热、强度到控制等各个部门或学科的主要性能验证与改进手段。
CAE仿真分析水平的高低，对于产品设计技术和产品质量起着尤为重要的作用。通过多年的CAE应用及推广，企业积累了大量分析经验，同时也面临着许多新问题。由于项目任务多、时间紧而CAE工作量大、有经验的分析人员、分析人员又肩负着型号的其它设计工作，没有大量时间对分析工作做细致的研究，导致仿真分析落后于产品设计，对于很多重要设计因未做分析而使产品质量无法保证，不能在设计阶段堵住问题的漏洞；航空行业面临着众多设计规范、并且有的规范系统性不够，造成了对规范理解和执行困难，不同的分析人员执行起来结果不一样，并会发生因不正确执行而导致产品设计问题；企业耗费大量时间和费用积累起来的知识和分析经验，大多分散在各个专家和技术干的脑子里，无法进行积累和系统管理，伴随着专家的退休和人员的流动，导致企业无形资产的流失，有的企业因此而害怕重复地培养新人。
为了更好的发挥CAE仿真分析在企业研发过程中的作用，需要对建立仿真分析规范进行相应的研究。最近几年，这方面的规范研究建立在国外非常流行；在国内各家汽车供应商都进行了仿真规范的实施，取得了很好的应用成果，对企业的研发带来了很大的益处。
仿真分析规范建立必要性
随着CAE仿真分析工作在企业的开展，大量的工程师参与到CAE仿真分析工作中去，不同的分析工程师在分析过程中，由于自身掌握的相关专业知识、软件掌握能力以及对产品本身的理解程度，往往在模型简化、网格划分、边界条件的处理上各不相同，具有较大的随意性，这就造成了不同的分析人员对于同一问题分析结果有一定差异，导致产品设计着对于分析结果的怀疑；往往在这种情况下要对此分析内容反复校核，大量浪费人力物力。
同时，CAE仿真分析的很多重复性工作很耗时，如建模、划分网格、加载、出报告等，但每次又不得不去做，这些无增值的重复劳动使原本不多的高级分析人员和专家等宝贵资源陷入了基础性分析工作的泥潭，没有时间做更高级的分析和技术创新，这对企业竞争力的提升是一个极大的阻碍。同时由于仿真分析工作需要经过CAD/CAE建模、不同的性能仿真分析求解、结果评估和报告书写过程，该过程用到各种不同工具软件，导致分析人员频繁地进行数据转换、传递与更改，容易导致人为的错误而且浪费时间。
基于以上原因，所内迫切需要建立自己的CAE仿真规范，用来解决目前CAE仿真存在的各种问题。针对企业的产品特点，总结以往的仿真分析经验、参照试验数据、借鉴其它行业的相关标准，以理论为指导，制定出一套CAE仿真分析规范是非常有必要的。
通过CAE仿真规范的建立，一方面可以用以指导、规范有限元分析工作；另一方面可以形成自身的知识积累，便于其他分析人员快速进入到规范的工作流程中，使企业的CAE仿真工作高效、快捷、准确的进行，为产品研发提供强有力的保障。
仿真分析规范建立目标
建立完整的CAE仿真分析规范，使企业的CAE仿真分析工作标准化、规范化，有效缩短CAE分析的时间，提升CAE分析质量，通过规范建立、积累与更新的机制，实现工程分析经验与知识的不断积累，从总体上提高研发产品设计/分析能力。
建立完成CAE仿真分析规范相关说明文档和模板，定义知识与规范的获取-整理-审核-发布-使用-更新-淘汰机制，明确仿真规范构建体系中各部门与人员的职责与工作方法。并根据企业的实际业务仿真分析工作内容，定义针对具体规范的实例化应用。
CAE仿真分析规范体系建成后，能够对公司产品结构分析和研究起到巨大作用，主要体现在以下几个方面：
– 使CAE分析工作标准化、规范化；
– 有效提升CAE分析的质量；
– 缩短CAE分析的时间；
– 有效实现工程分析的经验与知识积累；
– 解决CAE分析相关的主要问题；
– 有效提升CAE分析整体水平；
– 形成CAE分析能力长期完善、自主提升的机制；
– 促进企业分析知识的共享和创新。
CAE仿真规范建立的基本方法
产品开发设计规范包含的内容很多，CAE规范是其中一个重要的组成部分。CAE规范的建立与CAD、测试密切相关，一般CAE规范建立的步骤如下：
– 明确产品的性能要求，一个产品具有不同种类的性能要求，首先确定哪些性能指标需要进行仿真分析验证；
– 确定性能指标的评价标准，这需要在对同类产品进行大量试验测试、计算分析、质量事故统计、参考相关标准的基础上形成；
– 制定有限元建模标准，重点内容是网格质量标准、边界条件与载荷标准，材料数据、连接模拟标准（螺栓、点焊、缝焊等），这需要在大量试验测试结果与计算结果相互校对的基础上形成；
– 明确求解器，不同种类的求解器对同一模型可能产生差异较大的计算结果，需要选用某一领域杰出的求解器，并将计算结果与试验测试结果进行大量的相互校对；
– 确定计算结果的处理方法，最终的计算结果可能需要在已有的计算输出中进行进一步的数据处理，才能与试验测试结果和评价指价进行比对。
CAE仿真规范的建立是一个不断完善的过程，首先要从最基本最有把握的性能开始，对这些性能一般有较为丰富的试验测试数据、计算分析数据、质量事故统计数据，产品设计也趋于成熟，因此对性能指标的把握更可靠，在此基础上制定CAE规范，并用规范指导分析就更可信。以后随着数字计算技术和试验手段的进步，CAE规范也需要不断的完善。随着产品开发对更多性能的要求增加，在已有规范的基础上不断补充新的内容。
CAE仿真规范建立的具体内容
CAE仿真规范主要包括两部分，即基础通用CAE仿真规范与主要CAE仿真业务涉及的分析规范两大部分。
基础通用CAE仿真规范：其中基础规范内容指的是对于企业通常进行CAE仿真总体的工作规范，指导如何进行CAE仿真分析及管理，具体可以根据客户的具体业务来分类，梳理，一般包括以下内容：
具体业务分析规范：具体业务的分析规范内容指的是企业对于其研发的具体产品类型进行某一类型仿真分析的业务规范，比如某类型机匣强度分析规范，包括从模型的导入、几何清理简化、网格生成、材料等属性赋予、边界载荷设定、分析提交、结果处理、评价及报告编写等，同时形成一套作业指导书，分析工程师按照作业指导书进行机匣的强度分析，这样保证工作效率、精度。因此需要根据企业自身的产品分类来进行梳理、规划。通常，会以企业研发的主要产品为研究对象，建立相应的仿真分析规范，用以规范企业的仿真分析。下图是某企业的仿真分析规范框架，以供参考：
CAE仿真规范建立技术路线
对于CAE仿真分析规范建设项目，可以从以下几个方面来说明技术实现路线，说明技术实现方案，1、CAE规范编制方法制定；2、CAE通用规范制定； 3、CAE具体业务分析规范；4、CAE业务作业指导书规范编制；5、规范编制中应用的CAE软件二次开发模版定制。
CAE 规范编制方法制定
CAE 规范编制方法研究即建立CAE规范的标准。可以从CAE分析规范的框架体系、CAE分析规范的格式及编号规则、CAE分析规范构建流程与质量保证体系等方面来入手。结合企业产品的CAE分析工作，PLM产品数据管理等平台软件，进行相应的CAE规范编制方法建立。同时需要参考相关设计规范和行业标准，具体细节内容需要和项目实施方和企业沟通协商。
CAE 通用规范制定
依据CAE仿真分析数值理论，相关力学学科理论，并结合企业具体产品及分析类型，行业设计要求规范，并参考其他行业（主要是汽车行业—比较成熟）的CAE 仿真分析技术，建立企业自己的CAE 分析通用规范。
该规范包括模型简化原则、网格划分原则、边界条件处理原则、后处理结果提取原则、静强度、刚度、疲劳寿命等CAE 分析的通用规范建立。其中规范建立要包含理论依据，CAE软件如何操作执行实现，结合相关航空、机械等规范等内容。
详细内容需要根据企业自身的特点来确定。一般结构分析方面包括：有限元分析建模规范、分析工况规范、强度评价规范、屈曲分析规范、模态分析规范、结构优化规范、热应力分析规范等，CFD传热分析规范等等。CAE分析规范参考相关行业规范来进行，可以参考行业标准、机械设计标准等。
CAE 具体业务分析规范
参照通用规范，对于企业设计产品分类，并且将每种产品的具体分析工作建立分析标准。比如航空发动机的机匣，通过梳理机匣所要进行的分析种类，建立机匣的具体业务分析规范，如：机匣强度分析规范、机匣振动分析规范。规范内容包含从前处理、载荷边界、结果评价及报告处理等方面。
CAE 业务作业指导书规范编制
针对具体的型号产品开展CAE作业指导书规范编写，完成典型产品的CAE业务分析作业指导规范。对于具体的产品型号，做到作业指导书包括全面，包含详尽的分析内容。
作业指导书中涉及到软件可以自动完成的部分需要进行相应的二次开发。
作业指导书能够合理有效的完成相关分析工作，指导工程师进行高质量的分析，保证分析结果的一致性和完整性。
撰写作业指导书的目的主要是通过定义在软件环境下进行不同分析的最佳实践方法，为工作人员进行相关分析提供指导，以实现分析工作的规范性， 缩短分析的时间， 提高产品的性能
① 作业指导书包含如下内容：
– 此分析需要做哪些数据准备？
– 此分析需要做哪些软硬件准备？
– 分析的过程是怎样的？
– 如何管理分析的结果？
– 分析结果如何评估？
– 如何输出评估报告？
② 格式
文档表述清晰、明确、完整。图文并茂，尽量多提供带有注释的图片。某些典型操作可以提供视频，作为附件的组成部分，并在文档内提供链接和说明。典型示例可以提供模型等文档，作为附件的组成部分，并在文档内提供链接和说明，以便于其他人员学习和验证。
规范编制中应用的CAE软件二次开发摸板定制
建立仿真分析规范的CAE软件工具采用企业现有的CAE工具。结合现有的CAE工具、PLM系统，需要进行二次开发的部分则要进行相应的二次开发。
– 向导式仿真流程：根据企业仿真业务的类型，结合目前现有的CAE软件，搭建向导式仿真流程及界面定制化开发，达到仿真分析步骤标准化。从而使相同的仿真问题，有固化的仿真分析方法及流程，达到不同的人完成同类仿真分析的结果可靠，提高仿真分析的效率；
– 具体仿真业务高效模板定制：搭建参数化仿真机制，对于几何清理、网格划分、材料参数定义、工况设置、求解器求解、后处理报告编制等具体仿真业务工作采用自动化和半自动化来处理。全自动化处理的交由后台调用软件自动执行，部分不能全自动化处理的，采用定制化交互式导航自动处理来完成；
– 仿真经验知识库：将仿真经验等相关内容集成在仿真模板中形成仿真经验知识库，使工程师在分析过程中能随时进行参考，提高仿真的效率和精度，确保仿真分析的统一性。知识库内容包括：CAE仿真建模规范（包括模型处理中的几何简化原则、网格划分原则、质量检查原则、材料赋值等）、CAE仿真边界处理规范、CAE仿真载荷施加规范、CAE仿真结果评价规范等、典型分析处理经验知识等。
仿真分析规范建立的预期效益
通过CAE仿真分析规范建立应用，能够使企业的CAE仿真分析工作标准化、规范化，有效缩短CAE分析的时间，提升CAE分析质量，通过规范建立、积累与更新的机制，实现工程分析经验与知识的不断积累，从总体上提高研发产品设计/分析能力。
仿真规范建立能够扩展核心数据模型并集成了专家仿真能力，来实现在更广泛的新产品开发环境中的仿真过程流程化、标准化，从而节省时间并能释放资源以用于其他的创收机会。
CAE仿真分析规范体系建成后，能够对公司产品结构分析和研究起到巨大作用，不仅能够实现虚拟产品开发的“快、准、全”，而且减少等待环节和不增值环节，缩短产品开发周期，减少设计风险，进一步提高企业的产品创新能力。在以该仿真规范来指导企业的仿真分析工作下，可以取得以下效益：
– 明确提升CAE分析的质量、精度，避免在以往分析中由于人为因素出现的质量误差；
– 缩短CAE分析的时间，提高工作效率；经过其他企业大量事实证明，采用仿真分析规范后，CAE工作效率比之前提高30%~50%，对于某些特殊问题，比如在前处理软件中的半自动化网格开发，效率提高1倍乃至多倍；
– 有效实现工程分析的经验与知识积累；通过仿真规范建立，将企业以前的仿真经验和知识积累起来，方便应用；
– 有效提升CAE分析整体水平；
– 形成CAE分析能力长期完善、自主提升的机制；
– 促进企业分析知识的共享和创新；
– 缩短企业新仿真工程师的培养周期。建立仿真分析规范后，企业在培养仿真工程师方面的周期会大大提高，以往企业培养一个合格的工程师大致需要2到3年时间，有了仿真分析规范的指导，一般工程师的培养可以缩短到半年到1年半的时间。