1、計算機(jī)輔助工程（）的現(xiàn)狀和未來,摘 要,計算機(jī)輔助工程（CAE）是一種迅速發(fā)展的信息技術(shù)，是實現(xiàn)重大工程和工業(yè)產(chǎn)品的計算分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計的工程軟件，是支持工程科學(xué)家進(jìn)行創(chuàng)新研究和工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的、最重要的工具和手段。本報告將扼要敘述CAE技術(shù)及其軟件的現(xiàn)狀，并展望最近十年的發(fā)展趨勢。,一概 述,計算機(jī)輔助工程（CAE)，從字面上講它包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的CAE主要指用計算機(jī)對工程和產(chǎn)品的功能、性能與安全可靠性進(jìn)行計算、優(yōu)化設(shè)計，對未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬仿真，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺隕，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案，證實未來工程/產(chǎn)品的可用性與可靠性。,工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計

2、的重要手段和工具,工程和制造企業(yè)的生命力在于工程/產(chǎn)品的創(chuàng)新，而對于工程師來說，實現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵，除了設(shè)計思想和概念之外，最主要的技術(shù)手段，就是采用先進(jìn)可靠的CAE軟件.,科學(xué)家進(jìn)行創(chuàng)新研究的重要手段,科學(xué)計算是現(xiàn)代科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)研究的三大手段之一。它可以幫助科學(xué)家揭示用物質(zhì)實驗手段尚不能表現(xiàn)的科學(xué)奧秘和科學(xué)規(guī)律。 同時，它也是工程科學(xué)家的研究成果-理論、方法和科學(xué)數(shù)據(jù)-的歸屬之一，做成軟件和數(shù)據(jù)庫，成為推動工程和社會進(jìn)步的最新生產(chǎn)力。,CAE軟件是迅速發(fā)展中的計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)相結(jié)合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。,CAE軟件分

3、類,針對特定類型的工程/產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測和優(yōu)化計算的軟件，稱為專用CAE軟件。 可以對多種類型的工程/產(chǎn)品的工程行為進(jìn)行計算分析，模擬仿真，性能預(yù)測、評價與優(yōu)化的軟件，稱為通用CAE軟件。 通用CAE軟件主要由有限元軟件、優(yōu)化設(shè)計軟件、計算流體軟件、電磁場計算軟件、最優(yōu)控制軟件和其它專業(yè)性的計算軟件組成。,CAE技術(shù)已經(jīng)成熟，CAE軟件的可用性、可靠性和計算效率問題已經(jīng)基本解決。 CAE與CAD / CAMCAPPPDM / ERP軟件一起，已經(jīng)成為企業(yè)家和工程師們實現(xiàn)工程/產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。同時，也已成為專家、教授進(jìn)行研究重要手段。,CAE與CADCAMCAPP

4、PDMERP一起，已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的重要技術(shù)，它們已經(jīng)在提高工程/產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期方面發(fā)揮了重要作用，成為實現(xiàn)工程/產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。,發(fā)展趨勢,擴(kuò)充CAE功能，實現(xiàn)多結(jié)構(gòu)耦合分析，實現(xiàn)多物理場耦合分析，多尺度耦合分析，以及結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及其材料的一體化設(shè)計計算與模擬仿真。 基于Internet/Intranet = Grid Computing 的、CADCAECAM / CAPPPDM / ERP的集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。,二現(xiàn) 狀,計算機(jī)輔助工程計算起源于五十年代中期。 實用的CAE軟件誕生于七十年代初期。 從七零年到八五年的十五年，是CA

5、E軟件的功能和算法的擴(kuò)充和完善期，到八十年代中期，逐步形成了商品化的通用和專用CAE軟件。,到八十年代后期國際上知名的CAE軟件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、FASTRAN 等。 國內(nèi)的CAE軟件主要是JIFEX, FEM, FEPS等。,它們都是采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計方法、用FORTRAN語言和數(shù)據(jù)文件管理技術(shù)，開發(fā)的結(jié)構(gòu)化軟件。,近十五年CAE的發(fā)展，不僅是擴(kuò)充了軟件的功能、性能，更重要的是擴(kuò)充了用戶界面，前、后處理能力；對數(shù)據(jù)管理和圖形部份，進(jìn)行了重大的改造。新增的軟件成分大都采用了面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)和C+

6、語言。,近十五年CAE軟件發(fā)展很快，目前市場上的CAE軟件，在功能、性能、可用性可靠性方面，基本上滿足了用戶的需求，它們可以運(yùn)行在超級并行機(jī)，大、中、小、微等各類計算機(jī)系統(tǒng)上。,通用CAE的算法與軟件模塊,前處理,三維實體建模與參數(shù)化建模， 構(gòu)件的布爾運(yùn)算， 有限元自動剖分與節(jié)點自動編號， 節(jié)點參數(shù)自動生成， 荷載與材料數(shù)據(jù)輸入與公式化導(dǎo)入， 節(jié)點荷載自動生成， 有限元模型信息自動生成,有限元分析,有限單元庫， 材料庫及相關(guān)算法庫， 約束處理算法， 靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫及相應(yīng)的有限元系統(tǒng)組裝模塊庫， 單元內(nèi)物理場計算等, .。,有限元分析子系統(tǒng) 根據(jù)工程問題的物理、力學(xué)和數(shù)學(xué)特

7、征，有限元分析可以分解成若干個子問題子系統(tǒng):,線性靜力分析子系統(tǒng), 動力及高速碰撞分析子系統(tǒng), 振動模態(tài)分析子系統(tǒng), 非線性分析子系統(tǒng), 多體耦合與接觸分析子系統(tǒng), 熱分析與熱-力耦合分析子系統(tǒng),CAE軟件的計算分析與模擬仿真能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫包含的單元類型越多，材料庫包括的材料特性種類越全，其對工程/產(chǎn)品的分析與仿真能力就越強(qiáng)。 知名CAE軟件的單元庫一般都有百余種單元，并擁有一個比較完善的材料庫。,CAE軟件的計算效率和計算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫；如果解法庫包含了各種不同類型的高性能求解算法，那它就會對不同類型、不同規(guī)模的問題，以較快的速度和較高的

8、精度給出計算結(jié)果。先進(jìn)高效的求解算法與常規(guī)的求解算法相比，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計算機(jī)環(huán)境下運(yùn)行。,后處理,有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑， 各種物理量的加工與顯示， 根據(jù)設(shè)計要求對工程/產(chǎn)品按工程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計數(shù)據(jù)檢驗， 優(yōu)化設(shè)計， 配筋設(shè)計與繪制設(shè)計圖，.,前后處理是近十多年發(fā)展最快的CAE軟件成份，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實現(xiàn)與CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關(guān)鍵成份；通過增加面向行業(yè)的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化算法模塊實現(xiàn)了特定行業(yè)的有效應(yīng)用.,ANSYS軟件通過增設(shè)與CAD 軟件的接口模塊，實現(xiàn)了與Pro/Engi

9、neer，CADDS，Unigraphic，Solidedge，CADIA，Solidworks，MDT以及SolidDesigner，MicroStation等軟件的有效集成。,用戶界面,用戶界面包括交互式圖形界面， 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出宏命令, CAE相關(guān)的GUI圖符， 智能化用戶界面支持系統(tǒng)(專家系統(tǒng)）。,有些CAE軟件擁有專用的智能化用戶界面，能夠幫助用戶選擇單元形態(tài)，分析流程，判斷分析結(jié)果等，使用戶使用CAE軟件，就像使用“傻瓜”相機(jī)一樣，具有一按即得的功效。 國產(chǎn)的“傻瓜”型機(jī)械CAE軟件已經(jīng)聞世兩年。,數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫,不同的CAE軟件采用的數(shù)據(jù)管理技術(shù)不同：文件管理系統(tǒng)，關(guān)系型數(shù)

10、據(jù)庫管理系統(tǒng)，面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等； 數(shù)據(jù)庫：標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，典型工程產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖形庫，常規(guī)材料特性數(shù)據(jù)庫，相關(guān)的國家國際標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范庫，以及有關(guān)的知識庫等。,數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為大型應(yīng)用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)集成的核心，它們?yōu)?CAE軟件的功能擴(kuò)充，實現(xiàn)與CAD、CAM軟件的連接運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的優(yōu)劣，對大型CAE軟件的運(yùn)行效率影響極大。統(tǒng)計資料表明，CAE軟件在運(yùn)行中，70左右的時間是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。,目前國際上先進(jìn)CAE軟件功能,靜力和擬靜力的線性與非線性分析 線性與非線性動力分析 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析 電磁場和電流分析 流體計算 聲場與波的傳波計算，。,靜力和擬靜力

11、的線性與非線性分析,各種單一和復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性、塑性、蠕變、膨脹、幾何大變形、大應(yīng)變、疲勞、斷裂、損傷，以及多體彈塑性接觸在內(nèi)的變形與應(yīng)力應(yīng)變分析。,線性與非線性動力分析,各種動荷載、爆炸與沖擊荷載作用下的時程分析， 振動模態(tài)分析， 交變荷載與諧波響應(yīng)分析， 隨機(jī)地震荷載及隨機(jī)振動分析， 屈曲與穩(wěn)定性分析等。,穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱傳導(dǎo)與熱-力耦合分析,熱傳導(dǎo)分析， 對流和幅射狀態(tài)下的熱分析， 相變分析， 熱/結(jié)構(gòu)耦合分析，。,電磁場和電流分析,靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場分析， 電流與壓電行為分析， 電磁/結(jié)構(gòu)耦合分析，.。,流體計算,常規(guī)的管內(nèi)和外場的層流與端流分析， 熱/流耦合分析， 流/固耦合

12、分析，.。,聲場與波的傳波計算,靜態(tài)和動態(tài)聲場及噪聲計算， 固體、流體和空氣中波的傳播計算，.。,伴隨著CAE的發(fā)展，CAE 與 CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已經(jīng)形成了一個包括研究、開發(fā)、營銷、咨詢、培訓(xùn)服務(wù)在內(nèi)的軟件產(chǎn)業(yè)，這是一個對工程和產(chǎn)品制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新有重大影響的軟件產(chǎn)業(yè)，它已經(jīng)并會繼續(xù)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。,三發(fā) 展 趨 勢,功能 性能 軟件技術(shù) 用戶界面與智能化 網(wǎng)絡(luò)化與CAE網(wǎng)上鏈鎖店,3.1 功能,可變形體與多體耦合分析， 多相多態(tài)介質(zhì)耦合分析， 多物理場耦合分析， 多尺度耦合分析， 從材料設(shè)計到工程/產(chǎn)品設(shè)計、集仿真與優(yōu)化于一體的CAE系統(tǒng)， 微機(jī)電系統(tǒng)分

13、析。,可變形體系與多體耦合分析,形體變化與荷載并發(fā)狀態(tài)下可變形體系的動力與振動分析。例如，衛(wèi)星天線、機(jī)器人、起落架。 多體耦合狀態(tài)下的靜力、動力與振動分析：多體接觸分析，多體耦合動力分析與多體耦合振動分析。例如，車輛與路軌，車輛與橋梁等。,多相多態(tài)介質(zhì)耦合與多物理場耦合分析 復(fù)雜的工程/產(chǎn)品大都是處在多物理場與多相多態(tài)介質(zhì)非線性耦合狀態(tài)下工作，其行為絕非是多個單一問題的迭加。,多物理場（力場、滲流場、溫度場、電磁場等）非線性耦合分析， 多相與多態(tài)（流、固、氣）介質(zhì)耦合分析。,多尺度耦合分析,從基本材料的組份與構(gòu)造到復(fù)合材料，從復(fù)合材料做成構(gòu)件，再由構(gòu)件裝配成工程/產(chǎn)品，存在著從微觀、細(xì)觀到宏觀

14、的多尺度現(xiàn)象；不同的尺度服從于不同的物理、力學(xué)模型；通過對宏觀模型的細(xì)分，不能導(dǎo)致細(xì)觀和微觀模型；相反，通過微觀和細(xì)觀模型的無限迭加，也難導(dǎo)致宏觀模型。因此，在工程/產(chǎn)品的精細(xì)分析中，客觀地會遇到多尺度模型的耦合問題。目前的CAE軟件，都是僅限于宏觀物理、力學(xué)模型的工程/品分析。,對于多物理場的強(qiáng)耦合問題、多相多態(tài)介質(zhì)耦合問題，特別是多尺度耦合問題，目前尚沒有成熟可靠的理論，尚處于基礎(chǔ)性前沿研究，它們已經(jīng)成為國內(nèi)外科學(xué)家主攻的目標(biāo)，由于其強(qiáng)烈的工業(yè)背景，基礎(chǔ)研究的任何突破，都會被迅速納入CAE軟件，以支持新興工程/工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。,從材料設(shè)計到工程/產(chǎn)品設(shè)計、集仿真、優(yōu)化于一體的CAE系統(tǒng)

15、,隨著計算材料科學(xué)的發(fā)展，不遠(yuǎn)的將來，計算機(jī)輔助于材料設(shè)計將會納入CAE軟件，實現(xiàn)從材料性能的預(yù)測、仿真，到構(gòu)件與整個產(chǎn)品的設(shè)計、性能預(yù)測、系統(tǒng)仿真，形成集計算機(jī)輔助于材料設(shè)計、制備，到工程或產(chǎn)品的設(shè)計、仿真、優(yōu)化于一體的新一代CAE系統(tǒng)。,微機(jī)電系統(tǒng)分析,隨著多物理場、多相、多態(tài)介質(zhì)耦合理論與亞微米、納米科學(xué)的發(fā)展，以及微機(jī)電系統(tǒng)開發(fā)的強(qiáng)烈需求，專門用于微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計計算和系統(tǒng)仿真的CAE 軟件正在開發(fā)，不久將會問世。,3.2 性能,基于超級計算機(jī)和計算機(jī)群的并行計算CAE系統(tǒng)， 基于網(wǎng)格計算的CAE系統(tǒng)， 基于互聯(lián)網(wǎng)的集成化與支持協(xié)同工作的CAE系統(tǒng),適應(yīng)于超級計算機(jī)和機(jī)群并行計算CAE系

16、統(tǒng),每秒千萬億次的計算機(jī)與機(jī)群系統(tǒng)即將誕生，適應(yīng)這些大規(guī)模并行計算平臺的新型高精度和高效率算法正迅速發(fā)展。 新一代的CAE系統(tǒng)將能夠解算上千萬階級方程組，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜工程產(chǎn)品的實時和真三維仿真。,基于網(wǎng)格計算的CAE系統(tǒng),互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)將千萬臺各類計算機(jī)連接在一起，人們正在開發(fā)將互聯(lián)網(wǎng)上所有計算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫以及連接的實驗設(shè)備統(tǒng)一和有效使用的網(wǎng)格計算技術(shù)。隨著這一技術(shù)的成熟，一定會出現(xiàn)基于網(wǎng)格計算的CAE系統(tǒng),基于互聯(lián)網(wǎng)的集成化與支持協(xié)同工作的CAE系統(tǒng),隨著分布式對象集成技術(shù)和網(wǎng)格計算技術(shù)的發(fā)展，大型工程和復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)中實施并行工程，以及研究集團(tuán)的聯(lián)合攻關(guān)，未來的用戶將不再需要單一的CA

17、D、CAE、CAM、CAPP、PDM 和 ERP產(chǎn)品，它們需要基于互聯(lián)網(wǎng)(JAVA)的、具有行業(yè)特色的、集成化與支持協(xié)同工作的的套裝系統(tǒng)。,大型工程和復(fù)雜產(chǎn)品，例如發(fā)電廠化工廠飛機(jī)輪船及機(jī)車車輛等，它們由數(shù)萬到數(shù)百萬個構(gòu)件和數(shù)以千計的設(shè)備組成，其設(shè)計分析安裝模擬和運(yùn)行過程仿真，都要涉及數(shù)個到數(shù)十專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員。因此，基于Internet和Grid computing的異地異構(gòu)系統(tǒng)下的計算分析，實現(xiàn)對大型工程復(fù)雜產(chǎn)品的全面分析和運(yùn)行仿真，將成為CAE的另一個重要發(fā)展方向。,3.3 軟件技術(shù),真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實， 基于Internet和Grid computing的面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)

18、庫管理系統(tǒng)及工程數(shù)據(jù)庫。,真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實,隨著DSP芯片的發(fā)展，計算機(jī)圖形處理能力近年有了上百倍的提高，再加上三維圖形算法、圖形運(yùn)算和參數(shù)化建模的發(fā)展，快速真三維的虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成熟。因此, CAE軟件的三維實體建模，復(fù)雜的靜態(tài)、動態(tài)物理場的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會有大發(fā)展。,基于Internet和Grid computing的面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及工程數(shù)據(jù)庫,高性能價格比的大容量的存貯器及其高速存取技術(shù)在迅速發(fā)展， PC機(jī)的硬盤容量很快將由GB達(dá)到TB量級。 用戶將要求把更多的計算模型、設(shè)計方案、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識性信息納入CAE軟件的數(shù)據(jù)庫中。,Internet和Grid comp

19、uting環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，必須能夠管理多用戶并發(fā)存取的、與時間空間相關(guān)的、大量非結(jié)構(gòu)化的、各種類型的數(shù)據(jù)。 高性能的、基于網(wǎng)格環(huán)境的、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將會出現(xiàn)在新一代的CAE軟件中。,Internet和Grid computing環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)該具有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫及其管理技術(shù)的優(yōu)點，支持抽象數(shù)據(jù)模型定義，分布式、異構(gòu)、虛擬計算環(huán)境與多用戶并發(fā)I/O狀態(tài)下的數(shù)據(jù)管理， Internet和Grid computing環(huán)境下的高級存儲與查詢語言，訪問權(quán)限與數(shù)據(jù)所有權(quán)的保護(hù)，異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的時/空一致性和有效性檢驗，系統(tǒng)異常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)一致性恢復(fù)等。,3.4 用

20、戶界面,多媒體用戶界面 智能化用戶界面,多媒體用戶界面,計算機(jī)圖形技術(shù)正在迅猛發(fā)展，狹義的語音輸入輸出已成現(xiàn)實，計算機(jī)視覺系統(tǒng)已能在一定范圍內(nèi)分析體態(tài)、眼神和手勢，隱含信息請求的數(shù)據(jù)發(fā)掘技術(shù)也已冒泡，會聽、看、說、寫和學(xué)習(xí)的計算機(jī)即將聞世，這些多媒體技術(shù)一定會使未來CAE軟件的用戶界面具有更強(qiáng)的直觀、直感和直覺性，給用戶帶來極大便利,智能化用戶界面,CAE軟件是一個多學(xué)科交叉的、綜合性的知識密集型產(chǎn)品，它由數(shù)百到數(shù)千個算法模塊組成，其數(shù)據(jù)庫存放著眾多的設(shè)計方案、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，行業(yè)性的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以及判定設(shè)計和計算結(jié)果正確與否的知識性規(guī)則。 怎么使用軟件？怎么判定計算結(jié)果？支持用戶有效地使用這些軟件的專家系統(tǒng)，將成為用戶界面的重要組成部分。,3.5 集成化、專業(yè)化與屬地化,目前多數(shù)還是單一、孤島式的CAD、CAE、CAM、PDM產(chǎn)品，集成化程度不高。 隨著實施并行工程，加入WTO和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，科研人員和中、小企業(yè)用戶將不再需要單一的CAD、CAE、CAM、PDM產(chǎn)品。他們需要具有專業(yè)特色的、集成化的套裝支持系統(tǒng)。,滿足專業(yè)化屬地用戶的需求，即國外CADCAECAMPDM 軟件中國化，以及中國出口軟件的屬地化，應(yīng)該成為CAE軟件開發(fā)商的經(jīng)營之道。,實現(xiàn)初級集成化的若干途徑,