计算机辅助工程（CAE）的现状与未来展望

现状
 

  •计算机辅助工程计算起源于五十年代中期。
 

  •实用的 CAE软件诞生于七十年代初期。
 

  •从七零年到八五年的十五年，是CAE软件的功能和算法的扩充和完善期，到八十年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。
 

  •到八十年代后期国际上知名的CAE软件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN－3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、FASTRAN 等。
 

  •国内的CAE软件主要是JIFEX, FEM, FEPS, …等。
 

  •它们都是采用结构化软件设计方法、用FORTRAN语言和数据文件管理技术，开发的结构化软件。
 

  •近十五年CAE的发展，不仅是扩充了软件的功能、性能，更重要的是扩充了用户界面，前、后处理能力；对数据管理和图形部份，进行了重大的改造。新增的软件成分大都采用了面向对象的软件技术和C++语言。
 

  •近十五年CAE软件发展很快，目前市场上的CAE软件，在功能、性能、可用性﹑可靠性方面，基本上满足了用户的需求，它们可以运行在超级并行机，大、中、小、微等各类计算机系统上。
 


  通用CAE的算法与软件模块
 


  前处理
 

  •三维实体建模与参数化建模，
 

  •构件的布尔运算，
 

  •有限元自动剖分与节点自动编号，
 

  •节点参数自动生成，
 

  •荷载与材料数据输入与公式化导入，节点荷载自动生成，
 

  •有限元模型信息自动生成, ...。
 


  有限元分析
 

  •有限单元库，
 

  •材料库及相关算法库，
 

  •约束处理算法，
 

  •静力、动力、振动、线性与非线性解法库及相应的有限元系统组装模块库，
 

  •单元内物理场计算等, ...。
 


  有限元分析子系统
 

  根据工程问题的物理、力学和数学特征，有
 

  限元分析可以分解成若干个子问题子系统:
 

  •线性静力分析子系统,
 

  •动力及高速 碰撞分析子系统,
 

  • 振动模态分析子系统,
 

  •非线性分析子系统,
 

  •多体耦合与接触分析子系统,
 

  •热分析与热-力耦合分析子系统,…。
 


  •CAE软件的计算分析与模拟仿真能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库包含的单元类型越多，材料库包括的材料特性种类越全，其对工程/产品的分析与仿真能力就越强。
 

  •知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库。
 


  •CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库；如果解法库包含了各种不同类型的高性能求解算法，那它就会对不同类型、不同规模的问题，以较快的速度和较高的精度给出计算结果。先进高效的求解算法与常规的求解算法相比，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行计算机环境下运行。
 

  后处理
 

  •有限元分析结果的数据平滑，
 

  •各种物理量的加工与显示，
 

  •根据设计要求对工程/产品按工程规范进行设计数据检验，
 

  •优化设计，
 

  •配筋设计与绘制设计图，….
 


  •前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成份，它们是CAE软件满足用户需求，使通用软件专业化、属地化，并实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键成份；通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块实现了特定行业的有效应用.
 


  •ANSYS软件通过增设与CAD 软件的接口模块，实现了与Pro/Engineer，CADDS，Unigraphic，Solidedge，CADIA，Solidworks，MDT以及SolidDesigner，MicroStation等软件的有效集成。
 


  用户界面
 

  •用户界面包括交互式图形界面，
 

  •数据导入与导出宏命令,
 

  •CAE相关的GUI图符，
 

  •智能化用户界面支持系统(专家系统）。
 


  •有些CAE软件拥有专用的智能化用户界面，能够帮助用户选择单元形态，分析流程，判断分析结果等，使用户使用CAE软件，就像使用“傻瓜”相机一样，具有一按即得的功效。
 

•国产的“傻瓜”型机械CAE软件已经闻世两年。
 

数据管理系统与数据库
 

•不同的CAE软件采用的数据管理技术不同：文件管理系统，关系型数据库管理系统，面向对象的工程数据库管理系统等；
 

•数据库：标准构件库，典型工程／产品的结构图形库，常规材料特性数据库，相关的国家／国际标准与规范库，以及有关的知识库等。
 


•数据管理系统和数据库已经成为大型应用软件实现系统集成的核心，它们为CAE软件的功能扩充，实现与CAD、CAM…软件的连接运行奠定了基础。
 

•数据管理系统和数据库的优劣，对大型CAE软件的运行效率影响极大。统计资料表明，CAE软件在运行中，70％左右的时间是在进行数据交换。
 

目前国际上先进CAE软件功能
 

•静力和拟静力的线性与非线性分析
 

•线性与非线性动力分析
 

•稳态与瞬态热分析
 
• 电磁场和电流分析

•流体计算
 

•声场与波的传波计算，…。
 

静力和拟静力的线性与非线性分析
 

•各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。
 

线性与非线性动力分析
 

•各种动荷载、爆炸与冲击荷载作用下的时程分析，
 

•振动模态分析，
 

•交变荷载与谐波响应分析，
 

•随机地震荷载及随机振动分析，
 

•屈曲与稳定性分析等。
 

稳态、瞬态热传导与热-力耦合分析
 

•热传导分析，
 

•对流和幅射状态下的热分析，
 

•相变分析，
 

•热/结构耦合分析，…。
 


电磁场和电流分析
 

•静态和交变态的电磁场分析，
 

•电流与压电行为分析，
 

•电磁/结构耦合分析，...。
 

流体计算
 

•常规的管内和外场的层流与端流分析，
 

•热/流耦合分析，
 

•流/固耦合分析，...。
 

声场与波的传波计算
 

•静态和动态声场及噪声计算，
 

•固体、流体和空气中波的传播计算，...。
 


•伴随着CAE的发展，CAE与CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已经形成了一个包括研究、开发、营销、咨询、培训服务在内的软件产业，这是一个对工程和产品制造业的技术创新有重大影响的软件产业，它已经并会继续对国民经济的发展做出重要贡献。
 

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