杨越+杨玉芳+陈明富

摘 要：计算机辅助工程技术的核心技术是在计算机中建立和现实产品在性能上具有可比性，可以虚拟现实产品的各种使用条件的模型，目前用得最多的是有限元技术。接下来将了解有限元技术的基本原理及其在工程中的应用。

关键词：有限元技术；计算机辅助工程；工程技术分析

1 有限元技术的产生和发展

有限元分析技术（finite element analysis FEA）是随着电子计算机的发展而迅速發展起来的一种现代计算方法。20世纪五六十年代，在连续体力学领域取得了一系列研究成果，结合当时迅速发展的计算机计算能力，并迎合了当时航空航天领域对虚拟结构分析技术的需求，有限元技术迅速发展起来了。1956年波音公司工程师首次将有限元技术用于飞机机翼的结构分析，吹响了有限元技术工程应用的号角。

有限元在工程上得到广泛应用，得益于大量高效率的有限元分析程序。1966年，美国国家航天局为了满足当时航天工业对结构性能分析的迫切需求，主持开发大型应用有限元程序，并于1969年推出第一个NASTRAN版本。揭开了现代有限元软件发展的序幕。许多高校和实验室也致力与有限元方法的理论研究和程序开发，并逐渐将成果发展为商业化软件。商业化的有限元软件为了满足市场需求以及充分利用和适应计算机软、硬件技术的发展对软件的功能、性能、用户界面和前后处理能力都进行了充分改进和扩充。

2 有限元技术的方法

有限元技术的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的单元组合体，将求解域看成由这些有限数目的单元互联的子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个总域的满足条件，得出满足工程精度的近似结果代替对实际结构的分析，从而得到实际结构的物理性能。

第一步：问题及求解域定义。根据真实结构确定求解的物理性质和几何区域。

第二步：求解区域离散化。将求解区域近似为具有不同大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分，并且将产品的材料性质、工作条件等也施加到该离散域中。一般来讲，单元越小则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量将增大。

第三步：联立方程组求解。有限元分析软件带有各种数值求解方法，可以利用计算机的计算能力对联立方程组进行求解。

第四步：输出结果。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。常见的结果有变形、受力状态和振动形式等

第五步：可视化结果。对计算的数值结果进行处理和分析，形成可视化的结果，如产品的工作过程动画、性能曲线等，并完成有限元计算报告给相关人员了解该产品的性能，指导下一步的设计和改进。

3 计算机辅助工程技术的分类

近年来，随着有限元软件的日益普及，以及计算机计算能力的日益强大，以有限元技术为代表的计算机辅助工程技术（CAE技术）在产品设计当中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，成为现代产品设计流程不可缺少的一个环节。下面结合CEA技术在汽车研发中的应用，简要说明其各种技术。

3.1 强度分析

强度分析的主要目的是考察产品在工作时受到的应力和应变是否超出材料的许用应力和应变，如果超出许用值，则判定材料有破坏的风险。利用有限元技术进行产品的强度分析，就是在计算机中建立该产品的有限元模型，考察该产品在工作时的应力或应变情况。例如汽车的车体以及各个零部件在设计时就可以通过CEA技术看到哪个零件或者哪个区域的应力或应变比较大，并尽快进行必要的修改，而不用等到汽车制造出来出现问题后进行修改。

3.2 NVH分析

NVH是指Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度）由于它们在车辆等机械中是同时出现且密不可分，因此常把它们放在一起研究。汽车NVH特性的研究应该是以整车作为研究对象的，但由于汽车系统极为复杂化，因此经常将它分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一种工况下的NVH特性，利用有限元方法进行车辆NVH性能研究，需要建立详细的有限元模型，并主要在频率范围内对结果进行考察

3.3 碰撞分析

我国交通一直有较高的事故率，无数生命的代价换来民众、生产厂家和政府部门对汽车安全性的重视并开始采取各种措施来减少人员及车辆的损失。目前在汽车碰撞安全技术研究领域普遍采用的方法为实车实验方法和基于有限元技术的虚拟方法。但是实车试验的周期长，费用昂贵且重复性较差，特别地只能在样车生产后才能进行，不能在汽车设计过程中对碰撞安全性能进行评估和改进。虚拟的方法就是利用有限元技术在计算机中建立汽车及假人的碰撞模型并模拟各种碰撞过程，及时评估并改进设计的方法。虚拟方法具有费用低廉、周期较短、可重复性好、结果信息全面等优点

4 结语

计算机辅助工程技术是现代世纪最具代表性的技术，可以实现对产品的虚拟性能分析，通过有限元技术分解案例，进行逐步分析求解，得到在满足区间的条件下，求得最优解。计算机辅助工程技术也是我国从制造业大国向制造业强国，从制造业大国向设计大国迈进的关键技术，赶超世界先进设计水平的必由之路。

参考文献

[1]邹慧君. 蒋祖华. 2010. 趣谈无所不在的设计. 北京：科学出版社

[2]何辉. 2005.创意的秘密. 北京：中国传媒大学出版社.

[3]邹慧君. 2003. 机械系统设计原理. 北京：科学出版社.