從幕后走到臺前的CAE技術(shù)

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CAE(Computer Aided Engineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(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、機械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域)必不可少的數(shù)值計算工具，同時也是分析連續(xù)力學各類問題的一種重要手段。隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計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)應運而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機輔助4C系統(tǒng)(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環(huán)節(jié)。

國際上早在20世紀 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)具有強大功能的有限元分析程序，作為高新技術(shù)服務于軍工產(chǎn)品的研發(fā)上。也正是在這個時期，CAE技術(shù)已經(jīng)為今后的蓬勃發(fā)展奠定了堅實的根基。無論從理論算法，還是工具軟件都以初具規(guī)模。

其中最為著名的是由美國國家宇航局(NASA)在1965年委托美國計算科學

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)從幕后走向臺前。CAE技術(shù)已不僅僅是軍工系統(tǒng)的專有技術(shù)，當你隨意跨進一家上規(guī)模的企業(yè)技術(shù)中心后，幾乎總可以找到CAE應用的身影。目前，CAE技術(shù)已經(jīng)在整個裝備制造業(yè)，研究院所普及開來。進入了快速進化期。從諸多方面得到了長足發(fā)展。

1 從單純的結(jié)構(gòu)計算到求解多物理場耦合問題

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,逐步推廣到連續(xù)體固體力學分析。而且從理論上也已經(jīng)證明,只要用于離散求解對象的單元足夠小,所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算,最近又發(fā)展到求解幾個交叉學科的問題。例如：流固耦合問題，熱固耦合，熱磁耦合問題等等。

2 由求解線性工程問題發(fā)展到非線性問題

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設計的要求。某些情況需要考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性問題，材料的非線性問題，接觸非線性問題。僅靠線性計算理論就不足以解決上述問題,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)值計算是很復雜的,它涉及到很多專門的數(shù)學問題和運算技巧,很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA 等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件,并廣泛應用于工程實踐。這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。

3 增強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在于推導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,尤其是計算機運算速度的飛速發(fā)展,整個計算系統(tǒng)用于求解運算的時間越來越少,而前處理建模和運算結(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)都有功能很強的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強調(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行網(wǎng)格自動劃分,生成有限元分析所需數(shù)據(jù),并按要求將大量的計算結(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軟件的無縫集成

CAE軟件的又一特點是與通用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計后,可直接或間接的導入到CAE軟件中進行前處理工作。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在以前無法應付的復雜工程分析問題。所以當今所有的商業(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題編成命令一條條敲到電腦里提交運算。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，并進行網(wǎng)格劃分，邊界條件加載等前處理任務，逐步脫離了人為編譯的過程。

6 從單一分析功能向平臺化發(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)中軟硬件的平臺化發(fā)展，CAE工程也在逐步實現(xiàn)平臺化。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)幾乎普及到了各個行業(yè)，如機械，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)真正從幕后走向臺前正是取決于在汽車研發(fā)中的應用。尤其是我國汽車行業(yè)緊跟世界先進企業(yè)的步伐，大力投入研發(fā)，大批科技人員投身到CAE技術(shù)的應用中。