CAE

CAE - (ang. Computer Aided Engineering) - Zastosowanie specjalistycznego oprogramowania komputerowego którego zadaniem jest wspomaganie pracy inżyniera w zakresie projektowania konstrukcji wraz z wykonaniem obliczeń wytrzymałościowych opartych o metodę elementów skończonych (MES) lub metodę elementów brzegowych (MEB) a także innych analiz technicznych. Zaletą stosowania systemów CAE jest możliwość poznania zachowania obiektu w rzeczywistych warunkach, przeprowadzenie eksperymentu numerycznego. pod wpływem: obciążenia, drgań, temperatury itp. z zastosowaniem obliczeń i symulacji komputerowych (Bis J., 2008 s. 6).

Termin CAE był również używany przez niektórych w przeszłości do opisania wykorzystania technologii komputerowej w inżynierii w szerszym znaczeniu niż tylko analiza inżynieryjna. W tym kontekście termin został wymyślony przez Jasona Lemona, założyciela SDRC pod koniec lat siedemdziesiątych. Ta definicja jest jednak lepiej znana dziś przez terminy CAx i PLM (2007: In Remembrance..., 2011).

Powszechnymi zastosowaniami pakietów CAE są:

• obliczenia mechaniczne (obliczania naprężeń i odkształceń badanego obiektu, statyka, dynamika, wyznaczanie częstotliwości drgań własnych),
• komputerowa mechanika płynów (symulacje przepływów cieczy i gazów)
• obliczenia termiczne (wymienniki ciepła, izolacje termiczne, rozkłady temperatury w badanym obiekcie)
• obliczenia elektromagnetyczne (przepływy prądu, natężenia pól) (Augustyn K., 2007 s. 26)

Zdaniem A. Lenart "Systemy CAD/CAM można łączyć z systemami CAE, które umożliwiają opracowanie koncepcji produktu. Zastosowanie tych narzędzi przyczynia się do wzrostu stopnia automatyzacji produkcji, poprawy jakości wyrobów i przyspieszenia procesów przygotowania produkcji" (A. Lenart, 2009)

TL;DR

CAE (Computer Aided Engineering) to specjalistyczne oprogramowanie komputerowe, które wspomaga inżynierów w projektowaniu konstrukcji i przeprowadzaniu obliczeń wytrzymałościowych oraz innych analiz technicznych. Zaletą stosowania CAE jest możliwość poznania zachowania obiektu w rzeczywistych warunkach i przeprowadzenie eksperymentu numerycznego. CAE jest szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie pomaga producentom samochodów zmniejszyć koszty i czas opracowywania produktów oraz poprawić bezpieczeństwo i trwałość pojazdów. Chociaż CAE jest bardzo przydatne, fizyczne testy nadal są konieczne do weryfikacji i aktualizacji modeli.

Zakres CAE

Computer Aided Engineering obejmuje:

• Analizę naprężeń na komponentach i złożeniach za pomocą analizy metodą elementów skończonych (FEA)
• Analizę obliczeniową przepływu termicznego i płynów, dynamikę płynów (CFD)
• Dynamikę wieloobiektową i kinematykę (MBD)
• Narzędzia analityczne do symulacji procesów dla operacji takich jak odlewanie, formowanie i formowanie tłoczników
• optymalizacja produktu lub procesu

Moduły pakietu CAE

Zasadniczo w każdym zadaniu inżynierskim wspomaganym komputerowo są trzy fazy:

• preprocesor - ułatwia wprowadzanie danych przez użytkownika, np. moduł modelowania graficznego, który pozwala na dialogowe wprowadzanie cech konstrukcyjnych w formie graficznej i zapisanie ich w pamięci komputera w formie binarnej,
• solver - pozwala na realizację wszelkich wymaganych obliczeń, np. dynamicznych, wytrzymałościowych
• postprocesor - pozwala na wyprowadzenie wyników obliczeń w formie najbardziej komunikatywnej dla użytkownika, przede wszystkim w postaci graficznej,
• główny program zarządzający - pozwala użytkownikowi sterować przebiegiem procesu obliczeń, wprowadzanie nowych danych, obsługę przerwań, itp

Cykl ten jest powtarzany, często wiele razy, ręcznie lub przy użyciu komercyjnego oprogramowania optymalizacyjnego.

Część współczesnych programów CAE posiada przyjazny dla użytkownika interfejs graficzny, lecz jego obsługa przez użytkownika bez wystarczającej wiedzy może skutkować otrzymaniem wyników znacznie odbiegających od rzeczywistych. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania CAE możliwe jest przeprowadzenie symulacji dużej ilości rozwiązań technicznych, co pozwala na wybranie kilku najlepszych i odrzucenie reszty, bez konieczności wykonywania dużej ilości prototypów. Pozwala to na znaczne oszczędności finansowe oraz czasowe. Czas przeprowadzenia symulacji zależy od poziomu jej skomplikowania. Proste przypadki zajmują kilka sekund, a do symulacji najbardziej złożonych, mogących zajmować nawet miesiące, wykorzystuje się klastry obliczeniowe czyli superkomputery (Miecielica M., 2008 s. 48).

Programy CAE

Zdaniem H. Sabiniaka "Za pomocą metod CAD (Computer Aided Design) i CAE (Computer Aided Engineering) pozwala na śledzenie procesu projektowania od samego początku, czyli od pomysłu lub konkretnych założeń, aż do końcowego etapu wyłącznie za pomoc ą odpowiedniego oprogramowania, obniżając przez to koszty i eliminując pojawiąjące się błędy". ( Metody CAD i CAE..., 2014). Programy CAD możemy podzielić na programy, używające metodę elementów skończonych (MES) oraz programy modelowania fizycznego. Programy używające MES są najstarszymi i najbardziej popularnymi narzędziami do modelowania procesów fizycznych i procesów.Program MES jest w stanie zamodelować konstrukcje z wieloma detalami, lecz z tego powodu czas może się wydłużyć. Modelowanie fizyczne jest jedną z nowszych metod symulacji komputerowej urządzeń i maszyn. Jedną z wad tego podejścia jest to, że wygląd modelu fizycznego często nie ma nic wspólnego z wyglądem modelu obliczeniowego.

Przykładowe programy CAE to:

• Creo (Pro/ENGINEER)
• DC-SOFTWARE
• FEMAP
• KOMPAS 3D

CAE w przemyśle motoryzacyjnym

Narzędzia CAE są bardzo szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. W rzeczywistości ich użycie pozwoliło producentom samochodów zmniejszyć koszty i czas opracowywania produktów, jednocześnie poprawiając bezpieczeństwo, komfort i trwałość produkowanych przez nich pojazdów. Zdolność predykcyjna narzędzi CAE osiągnęła punkt, w którym znaczna część weryfikacji projektu jest teraz wykonywana za pomocą symulacji komputerowych (diagnozy), a nie fizycznego testowania prototypów. Niezawodność CAE opiera się na wszystkich właściwych założeniach jako dane wejściowe i musi identyfikować krytyczne dane wejściowe (BJ). Głównym programem używanym w przemyśle motoryzacyjnym jest Pro/ENGINIEER. Jest to wysokiego poziomu modeler, który jest narzędziem przeznaczonym do wspomagania procesu projektowania produktu począwszy od koncepcji wstępnej aż do technologii wytwarzania (Płuciennik P. 2016, s. 1482). Mimo że w CAE dokonano wielu postępów i jest on szeroko stosowany w dziedzinie inżynierii, fizyczne testy są nadal konieczne. Służy do weryfikacji i aktualizacji modelu, do dokładnego zdefiniowania obciążeń i warunków brzegowych oraz do ostatecznego podpisu prototypu.

CAE — artykuły polecane

Drukarka 3D — Inżynieria odwrotna — Prototypowanie i modelowanie — Komputerowo zintegrowane wytwarzanie — Inżynieria oprogramowania — Test driven development — Metody wykrywania usterek — CAD — Program komputerowy

Bibliografia

• Augustyn K. (2007) EdgeCAM: komputerowe wspomaganie wytwarzania, Helion, Gliwice
• Bis J. (2008) Komputerowe wspomaganie projektowania CAD: podstawy, Rea, Warszawa
• Lenart A. (2009) Zarządzanie cyklem życia produktu a systemy ERP. Komputerowo zintegrowane zarządzanie, Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją: Opole
• Marks P. (2011) 2007: In Remembrance of Dr. Jason A. Lemon, CAE pioneer gfxspeak.com
• Miecielica M., Wiśniewski W. (2005), Komputerowe wspomaganie projektowania procesów technologicznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Płuciennik, P., & Maciejczyk, A. (2016) Wykorzystanie systemów CAD w procesie konstruowania maszyn i urządzeń . Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportowe, 17(6), 1481-1485
• Sabiniak H. (2014), Metody CAD i CAE w Komputerowym wspomaganiu projektowania zazębień ślimakowych, Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Transport z. 82, numer kol. 1903

Autor: Krzysztof Krupa, Robert Stec, Jakub Zelek