CAE仿真分析規范建立方案
仿真分析規范建立背景
當今產品開發能力的體現主要在以下幾個方面，即產品開發流程、開發設計規范、產品數據庫、開發手段。產品開發已從結構和功能設計轉發向更高層次的產品性能開發，性能優良的產品是產品品質的重要保證。目前產品開發的手段主要是三維數字化設計（CAD）、計算機仿真分析（CAE）、試驗測試（Testing），并將三者緊密地在產品開流程中進行協同，以達到縮短產品開發周期、降低開發成本、并能提高產品性能的目的。要達到這樣的目的關鍵是要對產品相關數據進行長期的積累，建立起產品性能開發數據庫和產品開發設計規范。
近年來，CAE仿真分析已經在企業得到了廣泛的實施與應用，在幫助企業縮短產品設計周期，降低產品設計成本方面起到了重要的作用，因此已經成為產品研發中從總體設計到詳細設計各個設計階段以及從氣動、傳熱、強度到控制等各個部門或學科的主要性能驗證與改進手段。
CAE仿真分析水平的高低，對于產品設計技術和產品質量起著尤為重要的作用。通過多年的CAE應用及推廣，企業積累了大量分析經驗，同時也面臨著許多新問題。由于項目任務多、時間緊而CAE工作量大、有經驗的分析人員、分析人員又肩負著型號的其它設計工作，沒有大量時間對分析工作做細致的研究，導致仿真分析落后于產品設計，對于很多重要設計因未做分析而使產品質量無法保證，不能在設計階段堵住問題的漏洞；航空行業面臨著眾多設計規范、并且有的規范系統性不夠，造成了對規范理解和執行困難，不同的分析人員執行起來結果不一樣，并會發生因不正確執行而導致產品設計問題；企業耗費大量時間和費用積累起來的知識和分析經驗，大多分散在各個專家和技術干的腦子里，無法進行積累和系統管理，伴隨著專家的退休和人員的流動，導致企業無形資產的流失，有的企業因此而害怕重復地培養新人。
為了更好的發揮CAE仿真分析在企業研發過程中的作用，需要對建立仿真分析規范進行相應的研究。最近幾年，這方面的規范研究建立在國外非常流行；在國內各家汽車供應商都進行了仿真規范的實施，取得了很好的應用成果，對企業的研發帶來了很大的益處。
仿真分析規范建立必要性
隨著CAE仿真分析工作在企業的開展，大量的工程師參與到CAE仿真分析工作中去，不同的分析工程師在分析過程中，由于自身掌握的相關專業知識、軟件掌握能力以及對產品本身的理解程度，往往在模型簡化、網格劃分、邊界條件的處理上各不相同，具有較大的隨意性，這就造成了不同的分析人員對于同一問題分析結果有一定差異，導致產品設計著對于分析結果的懷疑；往往在這種情況下要對此分析內容反復校核，大量浪費人力物力。
同時，CAE仿真分析的很多重復性工作很耗時，如建模、劃分網格、加載、出報告等，但每次又不得不去做，這些無增值的重復勞動使原本不多的高級分析人員和專家等寶貴資源陷入了基礎性分析工作的泥潭，沒有時間做更高級的分析和技術創新，這對企業競爭力的提升是一個極大的阻礙。同時由于仿真分析工作需要經過CAD/CAE建模、不同的性能仿真分析求解、結果評估和報告書寫過程，該過程用到各種不同工具軟件，導致分析人員頻繁地進行數據轉換、傳遞與更改，容易導致人為的錯誤而且浪費時間。
基于以上原因，所內迫切需要建立自己的CAE仿真規范，用來解決目前CAE仿真存在的各種問題。針對企業的產品特點，總結以往的仿真分析經驗、參照試驗數據、借鑒其它行業的相關標準，以理論為指導，制定出一套CAE仿真分析規范是非常有必要的。
通過CAE仿真規范的建立，一方面可以用以指導、規范有限元分析工作；另一方面可以形成自身的知識積累，便于其他分析人員快速進入到規范的工作流程中，使企業的CAE仿真工作高效、快捷、準確的進行，為產品研發提供強有力的保障。
仿真分析規范建立目標
建立完整的CAE仿真分析規范，使企業的CAE仿真分析工作標準化、規范化，有效縮短CAE分析的時間，提升CAE分析質量，通過規范建立、積累與更新的機制，實現工程分析經驗與知識的不斷積累，從總體上提高研發產品設計/分析能力。
建立完成CAE仿真分析規范相關說明文檔和模板，定義知識與規范的獲取-整理-審核-發布-使用-更新-淘汰機制，明確仿真規范構建體系中各部門與人員的職責與工作方法。并根據企業的實際業務仿真分析工作內容，定義針對具體規范的實例化應用。
CAE仿真分析規范體系建成后，能夠對公司產品結構分析和研究起到巨大作用，主要體現在以下幾個方面：
– 使CAE分析工作標準化、規范化；
– 有效提升CAE分析的質量；
– 縮短CAE分析的時間；
– 有效實現工程分析的經驗與知識積累；
– 解決CAE分析相關的主要問題；
– 有效提升CAE分析整體水平；
– 形成CAE分析能力長期完善、自主提升的機制；
– 促進企業分析知識的共享和創新。
CAE仿真規范建立的基本方法
產品開發設計規范包含的內容很多，CAE規范是其中一個重要的組成部分。CAE規范的建立與CAD、測試密切相關，一般CAE規范建立的步驟如下：
– 明確產品的性能要求，一個產品具有不同種類的性能要求，首先確定哪些性能指標需要進行仿真分析驗證；
– 確定性能指標的評價標準，這需要在對同類產品進行大量試驗測試、計算分析、質量事故統計、參考相關標準的基礎上形成；
– 制定有限元建模標準，重點內容是網格質量標準、邊界條件與載荷標準，材料數據、連接模擬標準（螺栓、點焊、縫焊等），這需要在大量試驗測試結果與計算結果相互校對的基礎上形成；
– 明確求解器，不同種類的求解器對同一模型可能產生差異較大的計算結果，需要選用某一領域杰出的求解器，并將計算結果與試驗測試結果進行大量的相互校對；
– 確定計算結果的處理方法，最終的計算結果可能需要在已有的計算輸出中進行進一步的數據處理，才能與試驗測試結果和評價指價進行比對。
CAE仿真規范的建立是一個不斷完善的過程，首先要從最基本最有把握的性能開始，對這些性能一般有較為豐富的試驗測試數據、計算分析數據、質量事故統計數據，產品設計也趨于成熟，因此對性能指標的把握更可靠，在此基礎上制定CAE規范，并用規范指導分析就更可信。以后隨著數字計算技術和試驗手段的進步，CAE規范也需要不斷的完善。隨著產品開發對更多性能的要求增加，在已有規范的基礎上不斷補充新的內容。
CAE仿真規范建立的具體內容
CAE仿真規范主要包括兩部分，即基礎通用CAE仿真規范與主要CAE仿真業務涉及的分析規范兩大部分。
基礎通用CAE仿真規范：其中基礎規范內容指的是對于企業通常進行CAE仿真總體的工作規范，指導如何進行CAE仿真分析及管理，具體可以根據客戶的具體業務來分類，梳理，一般包括以下內容：
具體業務分析規范：具體業務的分析規范內容指的是企業對于其研發的具體產品類型進行某一類型仿真分析的業務規范，比如某類型機匣強度分析規范，包括從模型的導入、幾何清理簡化、網格生成、材料等屬性賦予、邊界載荷設定、分析提交、結果處理、評價及報告編寫等，同時形成一套作業指導書，分析工程師按照作業指導書進行機匣的強度分析，這樣保證工作效率、精度。因此需要根據企業自身的產品分類來進行梳理、規劃。通常，會以企業研發的主要產品為研究對象，建立相應的仿真分析規范，用以規范企業的仿真分析。下圖是某企業的仿真分析規范框架，以供參考：
CAE仿真規范建立技術路線
對于CAE仿真分析規范建設項目，可以從以下幾個方面來說明技術實現路線，說明技術實現方案，1、CAE規范編制方法制定；2、CAE通用規范制定； 3、CAE具體業務分析規范；4、CAE業務作業指導書規范編制；5、規范編制中應用的CAE軟件二次開發模版定制。
CAE 規范編制方法制定
CAE 規范編制方法研究即建立CAE規范的標準。可以從CAE分析規范的框架體系、CAE分析規范的格式及編號規則、CAE分析規范構建流程與質量保證體系等方面來入手。結合企業產品的CAE分析工作，PLM產品數據管理等平臺軟件，進行相應的CAE規范編制方法建立。同時需要參考相關設計規范和行業標準，具體細節內容需要和項目實施方和企業溝通協商。
CAE 通用規范制定
依據CAE仿真分析數值理論，相關力學學科理論，并結合企業具體產品及分析類型，行業設計要求規范，并參考其他行業（主要是汽車行業—比較成熟）的CAE 仿真分析技術，建立企業自己的CAE 分析通用規范。
該規范包括模型簡化原則、網格劃分原則、邊界條件處理原則、后處理結果提取原則、靜強度、剛度、疲勞壽命等CAE 分析的通用規范建立。其中規范建立要包含理論依據，CAE軟件如何操作執行實現，結合相關航空、機械等規范等內容。
詳細內容需要根據企業自身的特點來確定。一般結構分析方面包括：有限元分析建模規范、分析工況規范、強度評價規范、屈曲分析規范、模態分析規范、結構優化規范、熱應力分析規范等，CFD傳熱分析規范等等。CAE分析規范參考相關行業規范來進行，可以參考行業標準、機械設計標準等。
CAE 具體業務分析規范
參照通用規范，對于企業設計產品分類，并且將每種產品的具體分析工作建立分析標準。比如航空發動機的機匣，通過梳理機匣所要進行的分析種類，建立機匣的具體業務分析規范，如：機匣強度分析規范、機匣振動分析規范。規范內容包含從前處理、載荷邊界、結果評價及報告處理等方面。
CAE 業務作業指導書規范編制
針對具體的型號產品開展CAE作業指導書規范編寫，完成典型產品的CAE業務分析作業指導規范。對于具體的產品型號，做到作業指導書包括全面，包含詳盡的分析內容。
作業指導書中涉及到軟件可以自動完成的部分需要進行相應的二次開發。
作業指導書能夠合理有效的完成相關分析工作，指導工程師進行高質量的分析，保證分析結果的一致性和完整性。
撰寫作業指導書的目的主要是通過定義在軟件環境下進行不同分析的最佳實踐方法，為工作人員進行相關分析提供指導，以實現分析工作的規范性， 縮短分析的時間， 提高產品的性能
① 作業指導書包含如下內容：
– 此分析需要做哪些數據準備？
– 此分析需要做哪些軟硬件準備？
– 分析的過程是怎樣的？
– 如何管理分析的結果？
– 分析結果如何評估？
– 如何輸出評估報告？
② 格式
文檔表述清晰、明確、完整。圖文并茂，盡量多提供帶有注釋的圖片。某些典型操作可以提供視頻，作為附件的組成部分，并在文檔內提供鏈接和說明。典型示例可以提供模型等文檔，作為附件的組成部分，并在文檔內提供鏈接和說明，以便于其他人員學習和驗證。
規范編制中應用的CAE軟件二次開發摸板定制
建立仿真分析規范的CAE軟件工具采用企業現有的CAE工具。結合現有的CAE工具、PLM系統，需要進行二次開發的部分則要進行相應的二次開發。
– 向導式仿真流程：根據企業仿真業務的類型，結合目前現有的CAE軟件，搭建向導式仿真流程及界面定制化開發，達到仿真分析步驟標準化。從而使相同的仿真問題，有固化的仿真分析方法及流程，達到不同的人完成同類仿真分析的結果可靠，提高仿真分析的效率；
– 具體仿真業務高效模板定制：搭建參數化仿真機制，對于幾何清理、網格劃分、材料參數定義、工況設置、求解器求解、后處理報告編制等具體仿真業務工作采用自動化和半自動化來處理。全自動化處理的交由后臺調用軟件自動執行，部分不能全自動化處理的，采用定制化交互式導航自動處理來完成；
– 仿真經驗知識庫：將仿真經驗等相關內容集成在仿真模板中形成仿真經驗知識庫，使工程師在分析過程中能隨時進行參考，提高仿真的效率和精度，確保仿真分析的統一性。知識庫內容包括：CAE仿真建模規范（包括模型處理中的幾何簡化原則、網格劃分原則、質量檢查原則、材料賦值等）、CAE仿真邊界處理規范、CAE仿真載荷施加規范、CAE仿真結果評價規范等、典型分析處理經驗知識等。
仿真分析規范建立的預期效益
通過CAE仿真分析規范建立應用，能夠使企業的CAE仿真分析工作標準化、規范化，有效縮短CAE分析的時間，提升CAE分析質量，通過規范建立、積累與更新的機制，實現工程分析經驗與知識的不斷積累，從總體上提高研發產品設計/分析能力。
仿真規范建立能夠擴展核心數據模型并集成了專家仿真能力，來實現在更廣泛的新產品開發環境中的仿真過程流程化、標準化，從而節省時間并能釋放資源以用于其他的創收機會。
CAE仿真分析規范體系建成后，能夠對公司產品結構分析和研究起到巨大作用，不僅能夠實現虛擬產品開發的“快、準、全”，而且減少等待環節和不增值環節，縮短產品開發周期，減少設計風險，進一步提高企業的產品創新能力。在以該仿真規范來指導企業的仿真分析工作下，可以取得以下效益：
– 明確提升CAE分析的質量、精度，避免在以往分析中由于人為因素出現的質量誤差；
– 縮短CAE分析的時間，提高工作效率；經過其他企業大量事實證明，采用仿真分析規范后，CAE工作效率比之前提高30%~50%，對于某些特殊問題，比如在前處理軟件中的半自動化網格開發，效率提高1倍乃至多倍；
– 有效實現工程分析的經驗與知識積累；通過仿真規范建立，將企業以前的仿真經驗和知識積累起來，方便應用；
– 有效提升CAE分析整體水平；
– 形成CAE分析能力長期完善、自主提升的機制；
– 促進企業分析知識的共享和創新；
– 縮短企業新仿真工程師的培養周期。建立仿真分析規范后，企業在培養仿真工程師方面的周期會大大提高，以往企業培養一個合格的工程師大致需要2到3年時間，有了仿真分析規范的指導，一般工程師的培養可以縮短到半年到1年半的時間。