从幕后走到台前的CAE技术

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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。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了30多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。

国际上早在20世纪 50年代末、60年代初早在CAE技术诞生初期，就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，作为高新技术服务于军工产品的研发上。也正是在这个时期，CAE技术已经为今后的蓬勃发展奠定了坚实的根基。无论从理论算法，还是工具软件都以初具规模。

其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学

公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。其他我们熟知的ABAQUS，ANSYS，ADNIA等等犹如雨后春笋般出现。

自上世纪90年代开始，随着软硬件技术的迅猛发展，CAE技术从幕后走向台前。CAE技术已不仅仅是军工系统的专有技术，当你随意跨进一家上规模的企业技术中心后，几乎总可以找到CAE应用的身影。目前，CAE技术已经在整个装备制造业，研究院所普及开来。进入了快速进化期。从诸多方面得到了长足发展。

1 从单纯的结构计算到求解多物理场耦合问题

有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到连续体固体力学分析。而且从理论上也已经证明,只要用于离散求解对象的单元足够小,所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如：流固耦合问题，热固耦合，热磁耦合问题等等。

2 由求解线性工程问题发展到非线性问题

随着科学技术的发展,线性理论已经远远不能满足设计的要求。某些情况需要考虑结构的几何非线性问题，材料的非线性问题，接触非线性问题。仅靠线性计算理论就不足以解决上述问题,只有采用非线性有限元算法才能解决。众所周知,非线性的数值计算是很复杂的,它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA 等专长于求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。

3 增强可视化的前处理建模工具和分析结果后处理工具

早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而前处理建模和运算结果分析所占的工作比重逐步增大。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调"可视化"的今天,很多程序都建立了非常友好用户界面,使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分析所需数据,并按要求将大量的计算结果整理成变形图、云图,矢量图，数据列表等形式。

4 与CAD软件的无缝集成

CAE软件的又一特点是与通用CAD软件的集成使用,即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,可直接或间接的导入到CAE软件中进行前处理工作。今天,工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件(例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。

5 从手工化逐步向自动化发展

也许很多的CAE老前辈还历历在目，CAE技术发展初期，工程师们还在把求解的问题编成命令一条条敲到电脑里提交运算。随着Patran，Hypermesh，Ansa，TSV-Pre等通用前处理软件的诞生和发展，已经可以与CAD软件接口，直接读入CAD模型，并进行网格划分，边界条件加载等前处理任务，逐步脱离了人为编译的过程。

6 从单一分析功能向平台化发展

最为人们所熟悉的Nastran，abaqus，Adams，StarCD, AVL,Hypermesh等软件，均是能够完成CAE工程任务中某一部分功能的佼佼者。但随着科技研发中软硬件的平台化发展，CAE工程也在逐步实现平台化。如Altair推出的Hyperworks，MSC推出的SimXpert，Technostar推出的TSV-Solutions等等。

7 从军工转向民用

CAE的发展壮大依托的是航空航天，军工产业的不断需求，然而随着科技的发展，软硬件成本的下降，CAE人才的辈出，CAE技术几乎普及到了各个行业，如机械，船舶，汽车，电子，医疗等等。

在这些行业中尤以汽车行业最为突出。CAE技术真正从幕后走向台前正是取决于在汽车研发中的应用。尤其是我国汽车行业紧跟世界先进企业的步伐，大力投入研发，大批科技人员投身到CAE技术的应用中。