CAE相关ISO规格 — 支撑模拟质量的国际标准

要将CAE（计算机辅助工程）的解析结果用于产品设计和安全认证，必须遵循国际公认的ISO规格。本文章以ISO 26262（汽车功能安全）、ISO 10303 STEP/AP242（CAD数据交换）、ISO 22559（电梯地震解析）和NAFEMS质量标准这四个为中心，为CAE工程师讲解实务中必须掌握的规格体系。

1. CAE相关ISO规格的全体框架

• 安全规格 — ISO 26262（汽车功能安全）、ISO 22559（电梯地震应答解析）等。定义了"模拟结果是否可作为安全的根据"
• 数据交换规格 — ISO 10303 STEP、特别是AP242。使CAD/CAE间的形状、解析数据无损互传的格式
• 质量与V&V规格 — NAFEMS基准和指南。虽然不是ISO本体，但作为CAE质量的事实标准被广泛使用

实务中，汽车制造商须遵循ISO 26262，建筑承包商和电梯制造商须遵循ISO 22559，CAD/CAE数据交换有困难时须参考ISO 10303，各行业的必须规格不同。最好从"自己所在行业需要什么规格"开始。

2. ISO 26262 — 汽车功能安全与模拟要求

2.1 ISO 26262概述

ISO 26262是针对汽车电气、电子（E/E）系统的功能安全规格。2011年发布初版，2018年修订为第2版（ISO 26262:2018）。全12部分，规定了硬件、软件、系统各层面的安全要求。

与CAE关系最重要的是ASIL（汽车功能安全完整性等级）。从ASIL-A（最低）到ASIL-D（最高）分为4个等级，等级越高，模拟结果的验证流程越严格。

2.2 ASIL-D等级FEM解析要求

1. 解析手法的妥当性确认（Validation） — 确认所用求解器、要素类型、材料模型对目标问题的适用性，并文档化
2. 网格收敛性确认 — 至少用3个网格密度阶段确认结果收敛，并记录
3. 边界条件的根据 — 说明荷载、拘束条件如何反映实际使用环境
4. 与实验的相关性 — 尽可能进行物理试验比较，定量显示偏离率

实际上各OEM都有CAE指南（内部规定），把ISO 26262的要求映射到自己的流程中。丰田的"CAE可信度确认检查单"和博世的"模拟可信度评估"就是例子。

2.3 ISO 26262第11部分 — 半导体FEM解析

2018年第2版新增的第11部分（半导体指南）把功能安全的思想扩展到IC封装的热应力解析和电气可靠性模拟。具体来说，用FEM预测焊点疲劳寿命（基于Coffin-Manson式）时，推荐进行以下寿命预测的不确定性评估：

其中 $N_f$ 是断裂循环数，$\Delta \varepsilon_p$ 是塑性应变范围，$C$ 和 $\alpha$ 是材料常数。ASIL-C以上时，需要考虑这些材料常数的不确定性（标准差），进行概率型寿命评估。

3. ISO 10303 STEP — CAD/CAE数据交换的国际标准

3.1 STEP简介

STEP（Standard for the Exchange of Product Data）是ISO 10303规定的产品数据标准交换格式。1994年发布初版，之后30多年来持续修订，是CAD/CAE数据交换最重要的国际规格。

3.2 AP242 — CAE时代的数据交换

这时候出现了AP242（管理型模型化3D工程）。AP242可以在一个STEP文件中包含以下数据：

• 3D PMI（产品制造信息） — 将尺寸公差、几何公差、表面粗糙度直接标注在CAD模型上
• 镶嵌（网格）数据 — 包含FEM用网格信息
• 复合材料积层定义 — CFRP等的铺层信息
• 运动学 — 机构解析用的关节、运动定义

也就是说，AP242实现了CAD到CAE的"形状→网格→解析条件"一体化数据交换。

但是3D PMI的应用在航空航天（波音、空客）和汽车（BMW、戴姆勒）中迅速普及。实现"无纸化"的"MBD（基于模型的定义）"几乎需要AP242这个事实上的必须规格。

3.3 AP242与ISO 14306（JT）的比较

JT（ISO 14306）是西门子公司开发的轻量级3D格式，在显示用途上被广泛使用。与AP242的主要区别如下：

4. ISO 22559 — 电梯的地震应答解析

4.1 规格背景

ISO 22559（电梯安全要求——第1部分：全球基本安全要求）是关于电梯安全设计的国际规格群。在地震多发地区（日本、土耳其、加州等），电梯的地震时行为模拟被纳入设计流程。

• 导轨的座屈、变形 — 地震水平加速度下轨道是否弯曲
• 钢丝绳的摇晃 — 超高层的长钢丝绳（超200m）共振、缠绕
• 车厢与昇降路壁碰撞 — 导靴的间隙是否超出导轨变位

在日本，参考建筑基准法施行令129条之10，很多电梯制造商用FEM做ISO 22559遵循解析。三菱电机、奥的斯的设计基准书中明确标注了ISO 22559遵循。

4.2 解析手法

基于ISO 22559的电梯地震解析通常采用以下多体动力学（MBD）模型：

其中 $M$、$C$、$K$ 分别是质量、阻尼、刚度矩阵，$\ddot{x}_g(t)$ 是输入地震波的加速度时程。当考虑钢丝绳的非线性行为（大变形、接触）时，通常采用显式求解器（如LS-DYNA）进行过渡应答解析。

5. NAFEMS — CAE质量的事实标准

5.1 NAFEMS简介

NAFEMS（国家有限单元方法和标准机构）是1983年在英国成立的CAE质量国际标准化组织。虽然不是ISO规格本体，但提供有限单元法/计算流体力学/多体动力学的质量基准和最佳实践指南，许多ISO规格都参考了NAFEMS的知识。

1. 基准测试 — 用来验证有限单元法求解器精度的标准问题集合。如"悬臂梁先端位移""有圆孔平板应力集中"等，已知解析解的问题，求解器厂商新版本发布前必须通过这个
2. 最佳实践指南 — 著名的"How To"系列，"网格质量评估方法""非线性解析收敛技巧"等实务直关的诀窍集
3. CSEP认定 — 专业模拟工程师（PSE）认定制度。第三者证明CAE工程师的能力

现场最有用的是基准测试。新引进求解器时，比较NAFEMS基准测试结果，一眼就能看出各求解器对哪类问题强。

5.2 NAFEMS基准的具体例

代表性的NAFEMS基准问题有以下几种：

• LE1 — 椭圆膜（平面应力）：应力值精度与解析解比较
• LE10 — 厚壁圆筒壳：曲折要素精度检证
• T1 — 2维定常热传导：温度场精度检证
• FV32 — 自由振动（3D固体）：固有振频精度检证

这些问题全都公开了解析解（或高精度参考解），能定量评估求解器输出与之的相对误差。构建ISO 26262 ASIL-C/D遵循的CAE环境时，所用求解器是否通过NAFEMS基准是重要判断材料。

6. ISO规格间的关系与CAE工作流的融合

1. CAD数据收取 — 通过STEP AP242接收带3D PMI的3D模型
2. 网格生成、解析 — 使用通过NAFEMS基准验证过的求解器
3. 结果可信度确认 — 基于ISO 26262第5部分，文档化网格收敛性、实验相关性
4. 数据保管 — 用STEP AP242格式存储解析模型、结果到PDM（可追踪性确保）

"遵循规格"听起来麻烦，但本质是"让第三者能理解自己的解析结果是正确的"。规格是这种说明的共同言语。

7. 其他CAE相关的ISO规格

除了上述四大主要规格外，CAE工程师需要了解的ISO规格还有：

建筑、土木领域

• ISO 13789 — 建筑定常热损失系数计算方法。直接关系建筑热环境模拟的输入条件
• ISO 10211 — 建筑热桥（热传漏）计算方法。FEM热解析的验证基准
• ISO 6946 — 建筑部件热抵抗、热贯流率计算方法

质量管理、过程

• ISO 9001 — 质量管理体系。CAE部门的业务流程（手册、记录管理）基础
• ISO/IEC 17025 — 试验所、校正机构能力认定。与CAE结果和物理试验比较验证相关

材料、试验

• ISO 12135 — 准静态断裂韧性试验。获取CAE破裂力学解析的输入材料数据
• ISO 6892-1 — 金属材料拉伸试验方法。获取FEM弹塑性材料模型所需应力-应变曲线的标准方法

总结