CAE（计算机辅助工程）：入门与应用介绍

随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）与计算机辅助工艺规划或设计（computer aided process planning，CAPP）等新技术得以十分迅猛的发展。CAD、CAM已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用，成为最具有生产潜力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的经济效益。（关注一波，后期会对另外几类技术单独介绍。）

1、CAE概述

CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

原理：CAE（计算机辅助工程分析）主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。（关注一波，后期会专门介绍各种分析方法。）

作用：

（1）增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；

（2）缩短设计和分析的循环周期；

（3）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；

（4）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；

（5）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；

（6）进行机械事故分析，查找事故原因。

应用领域：CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业。

分类：CAE软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件。

分析步骤：应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程：

前处理：给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入等 。

有限元分析：有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。

后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行加工、检查，并以图形方式呈现，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。

2、发展历程

20世纪50年代末、60年代初，国际上开始投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。最为著名的是美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统，此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR和STARDYNE等公司的产品。

1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。国内相继开发出了一些比较成功的有限元分析系统，如大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等

20世纪60-70年代，有限元技术主要针对结构分析进行发展，以解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。世界上CAE的三大公司先后成立，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。

1963年MSC公司成立，开发称之为SADSAM （Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）结构分析软件。1965年，其程序SADSAM更名为MSC/ Nastran 。

1967年Structral Dynamics Research Corporation（SDRC）公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商用有限元分析软件Supertab（后并入I-DEAS）。

1970年Swanson Analysis System，Inc.（SASI）公司成立，后来重组后改为称ANSYS公司，开发了ANSYS软件。

20世纪70-80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件公司相继成立。在这个时期，有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场的分析，从线性分析向非线性分析发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。

进入20世纪90年代以来，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，对软件的用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的数据管理和图形处理部分进行了重大改造，使得CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面得到了很显著的提高，慢慢适用于中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行 。

3、主流软件

ABAQUS，被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，被认为是最优秀的非线性求解软件。

Ansys，很经典的CAE，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。在收购整合的过程中，Ansys的多物理场耦合成为一大特色。

ADINA，强大的非线性功能，能做直接流固耦合。

LS-DYNA，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块。

Pam crash，专门的碰撞研究软件。

Moldflow，模流分析软件。

Madymo，汽车安全系统，如气囊，安全带整车碰撞性能分析软件。

Hyperworks，主要做前处理（分单元加载荷加约束）和后处理（看输出结果和仿真）。

Pro/ENGINEER Mechanica 综合的CAE软件，Pro/ENGINEER包含完整的CAD/CAM功能。

4、发展前景

随着有限元技术的发展，国内原有的有限元应用体系正在发生着深刻的变化，分析软件正朝着多物理场的方向发展。

国内高校在有限元技术方面具备一定的研发和应用基础，因而成为了应用初期阶段的主力军。近几年来，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大企业所认可，第三次有限元技术的应用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技术不再仅仅停留在高校科研阶段，而是更多的走向了企业。同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。

新的世纪已经来临，在这信息化和网络化的时代，随着计算机技术、CAE软件和网络技术的进步，计算机辅助工程将得到极大的发展。大型通用分析软件的功能将愈来愈强大，界面也将愈来愈友好，涵盖的工程领域将愈来愈普遍。同时，适用于某些专门用途的专用分析软件也将受到重视并被逐步开发完善起来。