基本概念

CAE仿真

CAE仿真是计算机辅助工程的一部分，它采用有限元、有限体积和有限差分等数值方法，把复杂结构划分成规则的网格。每个网格都可以用统一的数学描述，再组装为整体矩阵求解，获得模型各点的近似结果。

仿真前处理

仿真前处理是CAE仿真的第一步，主要包括几何准备、模型清理、网格划分和物理设置。

图1 仿真前处理步骤

仿真后处理

仿真后处理是CAE仿真的最后一步，主要包括结果输出和分析。

• 结果输出是将求解计算得到的仿真结果以图形可视化或者表格的形式输出，如结构仿真中的位移云图、应力分布图等。
• 结果分析是根据输出的仿真结果，对各种物理量进行加工和显示、数据校验和工程规范校核，对仿真的产品结构进行分析和评估，如强度分析、疲劳分析等，从而优化产品结构设计。

结构仿真

结构仿真是一种利用计算机模拟和分析结构在各种物理载荷作用下的响应的技术。它可以帮助工程师在实际制造或测试之前预测结构的行为，从而优化设计，确保结构的安全性和可靠性。结构仿真通常包括以下几种类型：

• 静力学分析：用于计算在静态载荷作用下结构的位移、应力和应变，以评估结构的刚度和强度。当结构存在大变形、塑性应变、接触等情况时，需要同时考虑非线性效应，包括材料非线性、几何非线性和边界条件的非线性。
• 模态分析：模态分析用于确定结构的自然频率和振型。它对于预测结构在动态载荷下的响应非常重要，可以帮助避免共振现象。
• 谐响应分析：谐响应分析用于评估结构在周期性载荷作用下的动态响应。它可以帮助识别结构的共振频率和振幅，以及在这些频率下的应力和变形。
• 随机振动分析：这种分析用于评估结构在随机载荷（如风或地震）作用下的响应。它基于统计学方法，可以提供结构在这些不确定载荷下的可靠性评估。
• 显式动力学分析：显式动力学分析适用于短时间内发生的复杂动态事件，如碰撞、爆炸或高速冲击。它使用显式时间积分算法来解决动态平衡方程。
• 转子动力学分析：转子动力学分析专门用于评估旋转机械的动态特性，如轴承、叶片和转子的振动。它可以帮助设计更稳定和高效的旋转设备。
• 疲劳分析：疲劳分析用于预测材料在反复载荷作用下的寿命。它考虑了材料的疲劳特性和载荷历史，以评估结构可能发生疲劳失效的位置和时间。

流体仿真

流体仿真是一种利用数值方法和计算机软件来模拟和分析流体流动的过程和现象的技术。流体仿真可以帮助工程师和科学家设计和优化各种涉及流体的设备和系统，如飞机、汽车、船舶、管道、泵、涡轮机、热交换器、反应器、电池等。流体仿真也可以用来研究基础的流体力学问题，如湍流、声学、燃烧、相变、多相流等。

流体仿真的类型可以根据流体的可压缩性、流动的复杂性、所采用的数值方法等因素进行分类。以下是一些常见的流体仿真的类型：

• 不可压缩流体仿真：不可压缩流体是指流体的密度在流动过程中保持不变或变化很小的流体，如水、空气等。不可压缩流体仿真通常基于不可压缩的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）来求解流体的速度和压力。不可压缩流体仿真适用于低速流动或者密度变化对流动影响不大的情况。
• 可压缩流体仿真：可压缩流体是指流体的密度在流动过程中会发生明显变化的流体，如高速气体、蒸汽等。可压缩流体仿真通常基于可压缩的纳维-斯托克斯方程或者欧拉方程（Euler equations）来求解流体的密度、速度和压力。可压缩流体仿真适用于高速流动或者密度变化对流动影响很大的情况。
• 传热仿真：传热仿真是指考虑流体和固体之间或者流体内部的温度和热量传递的流体仿真。传热仿真通常基于能量方程（Energy Equation）来求解流体和固体的温度和热流。传热仿真适用于涉及热交换、热传导、热对流、热辐射等现象的流体仿真。
• 多相流仿真：多相流仿真是指考虑两种或多种不同的流体相（如气、液、固）共存和相互作用的流体仿真。多相流仿真通常基于多相流模型（Multiphase Flow Models）来求解各个流体相的密度、速度、压力、体积分数等。多相流仿真适用于涉及气液、液液、气固、液固等界面现象的流体仿真。
• 粒子法仿真：粒子法仿真是指利用一些离散的粒子来代表流体的运动和性质的流体仿真。粒子法仿真通常基于粒子法模型（Particle Methods）来求解粒子的位置、速度、密度、压力等。粒子法仿真适用于涉及大变形、断裂、碎裂、自由表面等复杂现象的流体仿真。
• 格子玻尔兹曼方法仿真：格子玻尔兹曼方法仿真是指利用一种基于统计力学的方法来模拟流体的微观运动和宏观性质的流体仿真。格子玻尔兹曼方法仿真通常基于格子玻尔兹曼方程（lattice Boltzmann equation）来求解流体在离散的空间和时间上的分布函数和宏观量。格子玻尔兹曼方法仿真适用于涉及复杂的边界条件、噪声、多相流、多物理场耦合等问题的流体仿真。