從幕后走到臺(tái)前的CAE技術(shù)

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CAE(Computer Aided Engineering)是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始應(yīng)用到今天，已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷史，其理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過(guò)程，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中(如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域)必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)力學(xué)各類問(wèn)題的一種重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計(jì)算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)輔助4C系統(tǒng)(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環(huán)節(jié)。

國(guó)際上早在20世紀(jì) 50年代末、60年代初早在CAE技術(shù)誕生初期，就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序，作為高新技術(shù)服務(wù)于軍工產(chǎn)品的研發(fā)上。也正是在這個(gè)時(shí)期，CAE技術(shù)已經(jīng)為今后的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的根基。無(wú)論從理論算法，還是工具軟件都以初具規(guī)模。

其中最為著名的是由美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)在1965年委托美國(guó)計(jì)算科學(xué)

公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。其他我們熟知的ABAQUS，ANSYS，ADNIA等等猶如雨后春筍般出現(xiàn)。

自上世紀(jì)90年代開始，隨著軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，CAE技術(shù)從幕后走向臺(tái)前。CAE技術(shù)已不僅僅是軍工系統(tǒng)的專有技術(shù)，當(dāng)你隨意跨進(jìn)一家上規(guī)模的企業(yè)技術(shù)中心后，幾乎總可以找到CAE應(yīng)用的身影。目前，CAE技術(shù)已經(jīng)在整個(gè)裝備制造業(yè)，研究院所普及開來(lái)。進(jìn)入了快速進(jìn)化期。從諸多方面得到了長(zhǎng)足發(fā)展。

1 從單純的結(jié)構(gòu)計(jì)算到求解多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題

有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來(lái),逐步推廣到連續(xù)體固體力學(xué)分析。而且從理論上也已經(jīng)證明,只要用于離散求解對(duì)象的單元足夠小,所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來(lái)有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算,最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。例如：流固耦合問(wèn)題，熱固耦合，熱磁耦合問(wèn)題等等。

2 由求解線性工程問(wèn)題發(fā)展到非線性問(wèn)題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。某些情況需要考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性問(wèn)題，材料的非線性問(wèn)題，接觸非線性問(wèn)題。僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決上述問(wèn)題,只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知,非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的,它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)算技巧,很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來(lái)國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA 等專長(zhǎng)于求解非線性問(wèn)題的有限元分析軟件,并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫(kù)。

3 增強(qiáng)可視化的前處理建模工具和分析結(jié)果后處理工具

早期有限元分析軟件的研究重點(diǎn)在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善,尤其是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展,整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少,而前處理建模和運(yùn)算結(jié)果分析所占的工作比重逐步增大。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強(qiáng)調(diào)"可視化"的今天,很多程序都建立了非常友好用戶界面,使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分,生成有限元分析所需數(shù)據(jù),并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、云圖,矢量圖，數(shù)據(jù)列表等形式。

4 與CAD軟件的無(wú)縫集成

CAE軟件的又一特點(diǎn)是與通用CAD軟件的集成使用,即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后,可直接或間接的導(dǎo)入到CAE軟件中進(jìn)行前處理工作。今天,工程師可以在集成的CAD和FEA軟件環(huán)境中快捷地解決一個(gè)在以前無(wú)法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問(wèn)題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的CAD軟件(例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。

5 從手工化逐步向自動(dòng)化發(fā)展

也許很多的CAE老前輩還歷歷在目，CAE技術(shù)發(fā)展初期，工程師們還在把求解的問(wèn)題編成命令一條條敲到電腦里提交運(yùn)算。隨著Patran，Hypermesh，Ansa，TSV-Pre等通用前處理軟件的誕生和發(fā)展，已經(jīng)可以與CAD軟件接口，直接讀入CAD模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界條件加載等前處理任務(wù)，逐步脫離了人為編譯的過(guò)程。

6 從單一分析功能向平臺(tái)化發(fā)展

最為人們所熟悉的Nastran，abaqus，Adams，StarCD, AVL,Hypermesh等軟件，均是能夠完成CAE工程任務(wù)中某一部分功能的佼佼者。但隨著科技研發(fā)中軟硬件的平臺(tái)化發(fā)展，CAE工程也在逐步實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化。如Altair推出的Hyperworks，MSC推出的SimXpert，Technostar推出的TSV-Solutions等等。

7 從軍工轉(zhuǎn)向民用

CAE的發(fā)展壯大依托的是航空航天，軍工產(chǎn)業(yè)的不斷需求，然而隨著科技的發(fā)展，軟硬件成本的下降，CAE人才的輩出，CAE技術(shù)幾乎普及到了各個(gè)行業(yè)，如機(jī)械，船舶，汽車，電子，醫(yī)療等等。

在這些行業(yè)中尤以汽車行業(yè)最為突出。CAE技術(shù)真正從幕后走向臺(tái)前正是取決于在汽車研發(fā)中的應(yīng)用。尤其是我國(guó)汽車行業(yè)緊跟世界先進(jìn)企業(yè)的步伐，大力投入研發(fā)，大批科技人員投身到CAE技術(shù)的應(yīng)用中。