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CAE·工程术语词典

有限元法、CFD、热分析、控制工程和数值方法的关键术语定义——每个术语都链接到相关的免费工具。

B
BEM(境界元素法)
Boundary Element Method
仅对结构物边界进行离散化的数值分析方法。由于不需要内部节点,对无限域问题(电磁学、弹性波)有效。未知数比FEM少。
C
CFD
Computational Fluid Dynamics
计算流体动力学。数值求解纳维-斯托克斯方程等来分析流体流动的技术。有限体积法和有限差分法被广泛使用。
CAE
Computer-Aided Engineering
使用计算机进行工程分析的总称。包含FEM(结构分析)、CFD(流体分析)、热分析、电磁场分析等。
F
FEM(有限元法)
Finite Element Method
将连续体分割为有限个单元进行数值分析的方法。适用于结构、热、电磁等广泛工程问题的最标准计算力学方法。
FFT(高速傅里叶变换)
Fast Fourier Transform
将时域信号变换到频域的快速算法。广泛用于振动、声学和信号处理。以O(N log N)复杂度计算DFT。
L
LMTD(对数平均温差)
Log Mean Temperature Difference
用于计算换热器热传递量的温差。通过Q = UA·LMTD求得换热量。
P
Paris定律
Paris Law
用应力强度因子范围表示疲劳裂纹扩展速率的经验公式 da/dN = C(ΔK)^m,常用于剩余寿命预测。
PID控制
PID Control
组合比例(P)、积分(I)、微分(D)三项的反馈控制。控制工程中最广泛使用的控制律。
S
S-N曲线
S-N Curve
表示循环应力幅值与断裂循环次数关系的疲劳特性曲线。纵轴为应力幅值 S,横轴为断裂循环次数 N。
V
V&V
Verification & Validation
验证(Verification:代码实现是否正确)和确认(Validation:是否在解决正确的问题)。仿真质量保证的两大支柱。
von Mises应力
von Mises 应力
用于判定多轴应力状态屈服的等效应力。σvm = √[(σ1−σ2)² + (σ2−σ3)² + (σ3−σ1)²] / √2。FEM后处理中最常用的评价量。
裂纹扩展
Crack Propagation
基于疲劳载荷的裂纹扩展。Paris定律 da/dN = C(ΔK)^m 表示裂纹扩展速率。
长宽比
Aspect Ratio
FEM单元的纵横比。越接近1精度越高。细长单元(长宽比 > 5)会导致精度下降。
阻抗
Impedance
电气电路中交流电压与电流之比。由电阻、电感和电容的组合决定的复数。
欧拉屈曲
Euler Buckling
细长柱在压缩载荷作用下突然横向变形的现象。临界载荷 Pcr = π²EI/(KL)²。
古德曼图
Goodman Diagram
评价平均应力对疲劳强度影响的设计图。纵轴=应力幅值、横轴=平均应力进行绘图,判定设计点是否在安全线内。
格林函数
Green's Function
表示微分方程对点源输入的响应,是FEM和BEM等数值方法的重要理论基础。
达西摩擦系数
Darcy Friction Factor
表示管内流体摩擦损失的无量纲系数。由雷诺数和管壁粗糙度决定,从莫迪图中读取。
纳维-斯托克斯方程
Navier-Stokes Equations
描述粘性流体运动的偏微分方程。是CFD的基础方程,一般只能数值求解。
努塞尔数
Nusselt Number
表示对流换热与热传导之比的无量纲数 Nu = hL/k,是强制对流和自然对流换热系数关联式的基础。
赫兹接触
Hertz Contact
两个弹性体接触时的接触应力。接触压力分布随形状(球-球、球-平面、圆柱-圆柱等)而变化。
伯德图
Bode Plot
表示控制系统频率响应的图表。以对数刻度将增益和相位作为频率的函数显示,用于稳定性分析。
泊松比
Poisson's Ratio
横向应变与纵向应变之比ν。大多数各向同性材料取值0~0.5(钢:0.3、橡胶:≈0.5)。
模态分析
Modal Analysis
求取结构物固有频率、振动模态和阻尼比的分析方法。常与FRF(频率响应函数)的实验测量相结合。
莫尔应力圆
Mohr's Circle
从任意应力状态求主应力和最大剪切应力的图解法。用圆表示截面方位旋转时的应力变化。
杨氏模量
Young's Modulus
表示材料拉伸刚度的弹性系数 E = σ/ε。钢约206 GPa,铝约70 GPa,是表示材料抗变形能力的最基本物性值。
雷诺数
Reynolds Number
表示流体惯性力与黏性力之比的无量纲数 Re = ρVL/μ。圆管内常以 Re < 2300 为层流、Re > 4000 为湍流的经验参考范围。
翘曲函数
Warping Function
在扭转问题中表示截面形状翘曲的函数。出现在圣维南扭转理论中。
相位最优化
Topology Optimization
利用FEM自动确定材料最优分布(在哪里保留材料)的设计方法。SIMP法最具代表性。
刚度矩阵
Stiffness Matrix
FEM中关联位移与力的矩阵[K]。以[K]{u}={F}的形式求解位移时的系数矩阵。
动力学分析
Dynamic Analysis
载荷随时间变化时的应力和变形分析。处理固有频率、频率响应、瞬态响应等。也与特征值分析相关。
收敛
Convergence
数值分析中网格越细解越接近真值的性质。"收敛确认"是仿真质量保证的基本。
特征值问题
Eigenvalue Problem
求固有频率和屈曲载荷的数学问题。形式为[K]{φ} = λ[M]{φ},其中λ为特征值(固有频率的平方等),{φ}为特征向量(振动模态)。
安全系数
Safety Factor
求许用应力时将基准强度除以的系数。静载荷为2~3、冲击载荷为4~8为参考值。对设计不确定性的裕度。
屈曲
Buckling
当压缩载荷超过临界值时,结构物突然横向变形的不稳定现象。在细长柱、薄板和壳体中成为问题。
弹塑性分析
Elastoplastic Analysis
考虑屈服后塑性变形的分析。处理胡克定律不成立区域的应力-应变关系。
应力集中
Stress Concentration
在孔、缺口、台阶等形状不连续部位局部应力升高的现象。用应力集中系数Kt评价。
截断误差
Truncation Error
数值微分和数值积分中因省略高阶项而产生的误差。网格越细误差越小。
材料力学
Mechanics of Materials
处理受外力作用固体的变形、应力和应变的力学领域。梁、柱、轴的强度计算基础。
梁理论
Beam Theory
分析梁挠度和应力的经典理论。包括欧拉-伯努利梁(细长梁)和铁木辛柯梁(考虑剪切变形)。
熱传递率
Heat Transfer Coefficient
表示流体与固体表面间热传递难易程度的系数 h [W/m²K]。从努塞尔数关联式推算。
破壊靱性
Fracture Toughness
表示含裂纹材料抗断裂能力的材料特性。当应力强度因子K达到断裂韧性KIC时发生断裂。
線形弹性
Linear Elasticity
应力与应变成比例关系的材料行为(胡克定律)。在屈服点以下成立,是FEM分析最基本的假设。
非線形分析
Nonlinear Analysis
几何非线性(大变形)、材料非线性(塑性)、接触非线性等线性假设不成立问题的分析。用迭代法求解。
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理论与主要公式

$$\sigma = E\varepsilon$$

フックの法則(弾性域):応力 $\sigma$(Pa)はひずみ $\varepsilon$(無次元)とヤング率 $E$(Pa)の積。

$$Re = \frac{\rho v L}{\mu}$$

レイノルズ数(流体力学):慣性力 vs 粘性力の比。配管では $Re \gt 4000$ で乱流。

$$Nu = \frac{h L}{k}$$

ヌッセルト数(熱伝達):対流熱伝達率 $h$(W/m²K)と熱伝導率 $k$(W/mK)の比。

使用指南

  1. 在词典搜索栏输入目标术语(如"应力集中系数"、"雷诺数"、"刚度矩阵"),系统自动匹配相关定义与物理含义
  2. 点击术语卡片查看完整解释,包括数学表达式、量纲分析与SI单位标注(例:应力单位为Pa或MPa)
  3. 选择对应仿真工具链接进行实际计算验证,如使用有限元分析验证钢梁的挠度公式δ=PL³/48EI(E=200GPa、L=1m、P=5kN时δ≈0.26mm)

具体计算示例

铝合金机翼梁截面(I=8.5×10⁻⁶m⁴、E=72GPa)在均布载荷q=2kN/m、跨度L=3m条件下,最大挠度δ_max=5qL⁴/384EI≈3.2mm。通过CFD仿真验证:升力系数Cl与雷诺数Re=ρVD/μ(空气密度ρ=1.225kg/m³、巡航速度V=250m/s、特征长度D=2m、动力粘度μ=1.81×10⁻⁵Pa·s)的关系,Re≈4.2×10⁷属于高亚音速区域,此时Cl约为0.35。热分析中,钛合金(k=7.4W/m·K)厚度10mm的隔热层在内表面温度1200K、外表面500K时的热流密度q=k·ΔT/d=7.4×(1200-500)/0.01≈5.2MW/m²

实务注意事项

  1. 有限元分析中网格单元大小应≤应力集中区特征尺寸的1/5,否则局部应力峰值误差超过15%;钢结构焊缝处应加密至0.5mm以下单元
  2. CFD计算需确保边界层网格数满足y⁺<1(粘性底层)或1
  3. 非线性热分析需验证材料属性是否随温度变化超过±10%,铜的导热系数在常温至400K间衰减18%,应采用分段线性或多项式拟合避免收敛困难
  4. 控制系统设计中,闭环传递函数稳定性判据(劳斯准则或根轨迹)计算需精确到4位有效数字,特别是极点靠近虚轴时数值误差可引发错误的稳定性评判