機械重工行業(yè)的CAE解決方案
機械結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個術(shù)語是一個廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身等；同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸等等。
由于大多是工程機械產(chǎn)品在工作過程中的受力情況和變形條件很復(fù)雜，所以在設(shè)計時很難較準(zhǔn)確地計算出有關(guān)零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布及動力學(xué)特性，從而評估機械產(chǎn)品的強度、剛度、疲勞壽命等。以往是給出一些假設(shè)條件，采用工程力學(xué)的方法進(jìn)行近似計算，但這樣設(shè)計出的部件在幾何尺寸和結(jié)構(gòu)型式上都難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的要求。隨著計算機的應(yīng)用，現(xiàn)在可以通過CAE技術(shù)有效地解決這個問題。
機械行業(yè)常用的靜力、動力和斷裂損傷CAE分析軟件包括ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、MSC.Marc、Nastran、Hyperworks等；專業(yè)疲勞分析軟件包括Fe-Safe，MSC.Fatigue，Ncode/DesignLife等，專業(yè)流體分析軟件包括Fluent，CFX，F(xiàn)LOW-3D，Star-CD，Phoenix，F(xiàn)lowmaster，SC/Tetra等。
動力學(xué)分析：是用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起著重要作用時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動力學(xué)特性的技術(shù)。用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。
斷裂損傷分析
疲勞分析
流體分析
結(jié)構(gòu)靜力分析
結(jié)構(gòu)靜力分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下，比較關(guān)注的往往是結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。對于機械而言，靜力學(xué)分析通常包括：強度分析，剛度分析和穩(wěn)定性分析幾塊，而其中以強度分析和剛度分析最重要。
1、校核結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足強度設(shè)計的要求，其準(zhǔn)則為： 若強度過剩較多，可以減小結(jié)構(gòu)承力件尺寸。
2、校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力是否滿足強度設(shè)計的要求，同時為動力分析等提供結(jié)構(gòu)剛度特性數(shù)據(jù)，這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進(jìn)行。
3、計算和校核桿件、板件、薄壁結(jié)構(gòu)、殼體等在載荷作用下是否會喪失穩(wěn)定。
4、計算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應(yīng)力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結(jié)構(gòu)分析提供資料。
結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析是CAE分析的主要內(nèi)容之一。結(jié)構(gòu)動力分析不同于靜力分析，常用來確定時變載荷對整個結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。
結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下響應(yīng)和性能的分析，主要是由已知結(jié)構(gòu)和動力荷載來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動力特性，為改善結(jié)構(gòu)性能、合理進(jìn)行設(shè)計提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動力分析不僅要考慮動力荷載和響應(yīng)隨時間而變化，而且還要考慮結(jié)構(gòu)因振動而產(chǎn)生的慣性力和阻尼力。動力荷載作用在結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動稱為強迫振動。
1、模態(tài)分析：分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型
2、諧響應(yīng)分析：結(jié)構(gòu)在隨時間呈正弦規(guī)律載荷作用下的響應(yīng)分析
3、譜分析：結(jié)構(gòu)在沖擊響應(yīng)譜作用下的響應(yīng)分析
4、PSD分析: 結(jié)構(gòu)在隨機振動載荷作用下的響應(yīng)分析
5、瞬態(tài)動力學(xué)分析：結(jié)構(gòu)在任意動態(tài)載荷作用下的響應(yīng)
6、斷裂分析
運用斷裂力學(xué)方法，分析在具有缺陷（裂紋）的結(jié)構(gòu)或者材料在載荷作用下裂紋是否擴展、擴展速率、是否斷裂、何時斷裂等，從而確定結(jié)構(gòu)是否安全，其壽命周期、檢修周期、壽命期內(nèi)允許的最大載荷等。
裂紋一般按照幾何特征分為穿透裂紋、表面裂紋、角裂紋、深埋裂紋等；按照力學(xué)特征分為張開型、滑開型、撕開型等；按照裂紋尖端塑性區(qū)的相對大小分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。線彈性裂紋的擴展和斷裂判定主要是基于應(yīng)力強度因子K；彈塑性裂紋的擴展和斷裂判定主要是基于J積分。由于研究比較成熟、且工程上占比比較大的是彈塑性裂紋，因此計算各種裂紋的應(yīng)力強度因子K、研究材料本身的斷裂韌度Kc是斷裂力學(xué)中的主要內(nèi)容。
裂紋擴展公式一般是基于經(jīng)典的Paris公式及相關(guān)修正公式，按考慮因素由簡單至復(fù)雜則常用的有Walker公式、Forman公式、Nasgro公式等。影響裂紋擴展及斷裂的因素主要有多個材料常數(shù)、應(yīng)力比、裂紋結(jié)構(gòu)形式等。
斷裂有限元分析的方法包括：
應(yīng)力強度因子和積分法（K，J積分和G積分）
擴展有限元法（XFEM技術(shù)）
虛擬裂紋閉合法（VCCT技術(shù)）
機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。。疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用下會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強度或疲勞極限。在機械結(jié)構(gòu)中，對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來制造。
a.靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）疲勞分析法，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的一階固有頻率大于3倍載荷平率情況下，如汽車車身、底盤等
b.瞬態(tài)疲勞分析法，應(yīng)用于不適應(yīng)靜態(tài)疲勞分析法的場合，如汽車曲軸等旋轉(zhuǎn)類零件
c.振動疲勞分析法，應(yīng)用于載荷變化復(fù)雜的情況下，將載荷時間歷程在頻域內(nèi)用功率譜密度函數(shù)描述，進(jìn)行隨機響應(yīng)分析進(jìn)而評估疲勞壽命
計算流體動力學(xué)(computationalFluidDynamics,簡稱CFD)是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。
通過CFD數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。還可據(jù)此算出相關(guān)的其他物理星，如旋轉(zhuǎn)式流體機械的轉(zhuǎn)矩、水力損失和效率等。
計算流體動力學(xué)分析在機械機構(gòu)的中應(yīng)用包括：
水輪機、風(fēng)機和泵等流體機械內(nèi)部的流體流動；
換熱器性能分析及換熱器片形狀的選?。?/span>
制冷工程熱流場分析；
旋流分離器、生化反應(yīng)器、干燥器、流化床、換熱器方面的應(yīng)用；
