正确认识CAE技术（二）

stevenl · 发表于 2010-10-31 13:01:53

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CAE技术与产品的上游污染治理策略
CAE的价值显而易见，然而CAE技术本身并不能自动创造价值，只有当它被用于设计过程，它才有可能转化为生产力而创造价值。
产品的设计过程是复杂的，它由若干子系统组成，每个子系统的设计必须集成到系统级，这是一个分解与集成的互动过程。集成过程中，系统级发现的问题不仅要返回到子系统中去寻找答案，同时还要辨认系统级的问题是否是子系统间互相影响所致。以车辆的噪声治理为例，当高速车结构噪声超出设计规范要求时，噪声传播路径上的每一个子系统都有可能在噪声设计上存在缺陷。当前，某些车辆的噪声之所以难以治理，其中一个主要原因就是在设计初期，各子系统顾此失彼，例如，转向架子系统关心的是动力学性能，车体结构系统关心的是轻量化，牵引动力子系统关心的是牵引效率，即使这些子系统也曾关心过振动品质，其重点也往往不在结构噪声上。
在环境工程中，一条河流的上游一旦被污染，下游的治理不仅困难而且代价也是相当大的。
类似的，产品设计的初期一旦留下隐患，后期的治理不仅困难，而且代价也是相当大的，有时甚至束手无策，象前面提到的噪声治理就是这样一个典型的例子。因此产品的开发初期，投入足够的CAE技术以设法避免或减少这种类型的“上游污染”是明智的。
图1给出了产品设计的一般流程。在这个流程中，CAE技术恰在产品设计的上游位置上，CAE技术之所以日受重视，也与它所在的位置是分不开的。

图1 CAE技术在产品设计过程中的位置
事实上，CAE技术不是绝对的，自身也需要在需求中完善与发展。有时，在某些复杂工程问题中，期望CAE技术获得理想的仿真结果也是很困难的。但是，这不应成为轻视或排斥CAE的理由。客观地说，CAE和实验一样，都是服务于产品设计过程的一种辅助手段，只不过前者是一种计算机内的数值实验，后者是一种以具体的设计对象为载体的物理试验。前者是抽象的，后者是具体的。首先，由于仿真计算模型是计算对象的抽象，因此，抽象得到的仿真计算模型不可能，有时也不必要与计算对象完全吻合。其次，CAE所需的边界条件，例如计算传热问题时的三类边界条件，在没有物理样机或者可借用的数据支持下是很难精确获得的，所以，期望CAE技术数值仿真的绝对准确是不科学的。科学的态度应该是：
不否认CAE的数值计算结果与理论上应该得到（假设可以得到）的理论解有差距，也不否认CAE数值计算结果与物理样机的实验（假设实验可靠）结果有差距，甚至有时差距还不小，但是当追求相对比较时，这些绝对意义上的差距就不那么重要了，而这一点恰是CAE技术在产品设计过程中不可替代的最大优势所在。
（1）一旦获得了基本可靠的CAE模型，该模型就可以用于方案比较，该模型就是“财富”；
（2）一旦进入设计方案的相对比较，比较的结果就为方案选优提供了定量的科学数据；
（3）这种比较不仅科学、深刻，而且也是经济成本最低的。
除了用于方案对比，CAE技术另一个非常有价值的潜能是它可以对复杂过程“分解识别”。利用“分解识别”，可以实现复杂过程相对“清晰化”。
以车辆疲劳寿命评估为例，疲劳寿命评估过程可以简化为这样一个多输入/单输出的评估系统：

对于这样一个系统，其疲劳寿命评估预测存在以下两种途径：
1．假设有物理样机可用，那么可以在线路上进行动应力测试；
2．假设没有物理样机可用，但是有标准的载荷谱。
对于第一种情况，即使在线路上进行动应力测试，在测点上也只能获得三个载荷谱的综合响应，或称之为“混响”，而得不到每一载荷谱各自的响应份额。表面上看，得到综合响应似乎是足够了，其实不然，如果在获得综合响应的同时亦不能确定那个载荷谱是主导载荷谱，首先疲劳寿命评估是很困难的，例如，当不清楚测点应力主要由弯曲载荷所致还是由拉压载荷所致时，就不可能正确地选择相应的疲劳计算参数。其次，一旦设计寿命不理想，治理将因提不出有针对性的措施而陷入被动局面，这一点对焊接结构尤为重要。
对于第二种情况，利用CAE技术则不难解决上述困难，例如，将三种载荷谱分别输入后，从后处理器中，很容易识别主导载荷谱。
从这个例子可以看出，CAE技术的潜能一旦释放，用于复杂过程“清晰化”的能量是很大的。
当然，这种相对比较以及“分解识别”的效果会因模型质量不同而不同，但这只是一个效率高低问题，而且经过努力，效率是可以逐步提高的。
经济学家指出：信息可以转化为产品的附加值，因为产品的制造过程是一个通过信息和知识向原材料追加附加值的过程。
将CAE技术用于设计方案比较，可以获得这种有价值的信息，将这种信息用于预防和治理产品设计的上游污染符合这一经济学理论。
最后还要强调一点，CAE技术的这种相对比较优势对消化国外先进技术也是大有益处的。之所以强调这一点，是因为一些工厂曾因盲目照搬照抄而付出过沉痛的代价。每当引进国外先进技术或装备时，他们看到的是结果而不是过程。事实上，过程比结果重要，因为过程凝结的技术往往来自于实验，甚至来自于挫折或失败。正确的过程必然导致正确的结果，而某些过程是可以模拟的。当成本和时间成为制约因素时，CAE仿真模拟应当成为首选。一旦基于CAE的仿真模拟成为可能，那些隐藏在结果后面的某些关键技术就有可能被感知，当然，感知的深度取决模拟时的主客观条件，但是主客观条件上的问题不应被过分强调，尤其是从结构上寻找先进设计的“为什么”时，CAE仿真模拟的精度是足够的。将上述思想主动地用于感知与消化某些先进设计与技术的成功案例表明，如果欲想被学习模仿的不仅“形似”而且“神似”，那么，CAE的效果恰在于后者。

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