计算机辅助工程(CAE)现状和未来
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• 知名CAE软件的单元库一般都有百余 种单元，并拥有一个比较完善的材料库。
2020/10/17
• CAE软件的计算效率和结果的精度， 主要决定于解法库；如果解法库包含了 各种不同类型的高性能求解算法，它就 会对不同类型、不同规模的问题，以较 快的速度和较高的精度给出计算结果。 先进高效的求解算法与常规的求解算法 相比，在计算效率上可能有几倍、几十 倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行 计算机环境下运行时。
2020/10/17
一．现 状
• 计算机辅助工程起源于上个世纪五十年 代中期。
• 实用的CAE软件诞生于上个世纪七十年 代初期。
• 从上个世纪七零年到八五年的十五年， 是CAE软件的功能和算法的扩充和完善 期，到八十年代中期，逐步形成了商品 化的通用和专用CAE软件。
2020/10/17
• 到上个世纪八十年代后期国际上知名 的CAE软件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN－3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、 FASTRAN 等。
• 实现多体耦合分析、多物理场耦合分析以 及多目标优化设计；
• 实现多尺度和多模型耦合分析，以及结构、 构件及其材料的一体化设计与模拟仿真；
• 基于巨型并行机群系统、Internet、Grid Computing 的高性能的计算机辅助工程；
• CAE 与CAD／CAM / CAPP／PDM / ERP 的集成化、网络化、智能化。
根据工程问题的物理、力学和数学特征，有 限元分析可以分解成若干子系统:
• 线性静力分析子系统, • 动力及高速碰撞分析子系统, • 振动模态分析子系统, • 非线性分析子系统, • 多体耦合与接触分析子系统, • 热分析与热-力耦合分析子系统, …。
2020/10/17
• CAE软件的计算分析与模拟仿真能力， 主要决定于单元库和材料库的丰富和完 善程度，单元库包含的单元类型越多， 材料库包括的材料特性种类越全，对工 程/产品的分析与仿真能力就越强。
2020/10/17
后处理
• 有限元分析结果的数据平滑， • 各种物理量的加工与显示， • 根据设计要求对工程/产品按工程规范
• 它也是工程科学家的研究成果--理论、方 法和科学数据--的归属之一，做成软件和 数据库，成为推动工程和社会进步的最 新生产力。
2020/10/17
• CAE软件是迅速发展中的计 算力学、计算数学、相关的工程 科学、工程管理学与现代计算机 科学和技术相结合，而形成的一 种综合性、知识密集型信息产品。
2020/10/17
• 近十五年CAE软件发展很快，目 前市场上的CAE软件，在功能、性 能、可用性﹑可靠性方面，基本上 满足了用户的当前需求，它们可以 运行在超级并行机，大、中、小、 微等各类计算机系统上。
2020/10/17
通用CAE的算法与软件模块
2020/10/17
前处理
• 三维实体建模与参数化建模， • 构件的布尔运算， • 有限元自动剖分与节点自动编号， • 节点参数自动生成， • 荷载与材料数据输入与公式化导入，
• 国内的CAE软件主要是JIFEX, SAP, FEM, FEPS, …等。
2020/10/17
早期的CAE软件都是采用结构化 软件设计方法、用FORTRAN 语 言和数据文件管理技术，开发的 结构化软件。
2020/10/17
• 近十五年CAE的发展，不仅是 扩充了软件的功能、性能，更重要 的是扩充了用户界面，前、后处理 能力；对数据管理和图形部份，进 行了重大的改造。新增的软件成分 大都采用了面向对象的软件技术和 C++语言。
2020/10/17
CAE与CAD／CAM／CAPP／PDM／ERP 一起，已经成为支持工程行业和制造企 业信息化的主导技术，它们已经在提高 工程/产品的设计质量，降低研究开发成 本，缩短开发周期方面发挥了重要作用， 成为实现工程/产品创新的支撑技术。
2020/10/17
CAE是迅速发展中Fra Baidu bibliotek信息技术：
2020/10/17
CAE软件分类
• 针对特定类型的工程/产品所开发的用于产 品性能分析、预测和优化计算的软件，称为 专用CAE软件。
• 可以对多种类型的工程/产品的性能和行为 进行性能预测、计算分析，模拟仿真，评价 与优化的软件，称为通用CAE软件。
• 通用CAE软件主要由有限元软件、优化设计 软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最 优控制软件和其它专业性的计算软件组成。
节点荷载自动生成， • 有限元模型信息自动生成, ...。
2020/10/17
有限元分析
• 有限单元库， • 材料库及相关算法库， • 约束处理算法， • 静力、动力、振动、线性与非线
性解法库及相应的有限元系统组装 模块库， • 单元内物理场计算等, ...。
2020/10/17
有限元分析子系统
2020/10/17
• 工程和制造企业的生命力在于工 程/产品的创新，而对于工程师 来说，实现创新的关键，除了设 计思想和概念之外，就是采用最 现代化的设计工具和技术手段， 即先进可靠的CAE软件.
2020/10/17
• CAE软件还是科学家进行科学和技术研 究的三大手段之一。它可以帮助科学家 揭示用物质实验手段尚不能表现的科学 奥秘和科学规律。
2020/10/17
• 计算机辅助工程（CAE)，从字面上 讲它包括工程和制造业信息化的所有方 面，但是传统的CAE主要指用计算机对 工程和产品的功能、性能与安全可靠性 进行计算、优化设计，对未来的工作状 态和运行行为进行模拟仿真，及早发现 设计缺陨，改进和优化设计方案，证实 未来工程/产品的可用性与可靠性。
计算机辅助工程（ＣＡＥ）的现 状和未来
崔俊芝
中国工程院 院 士
本报告受到国家自然科学基金项目（ 2005CB321704, 和）资助
2020/10/17
摘要
• 计算机辅助工程（CAE）是一种迅速 发展的信息技术，是实现重大工程和工 业产品的计算分析、模拟仿真与优化设 计的工程软件，是支持工程科学家进行 创新研究和工程师进行创新设计的、最 重要的工具和手段。本报告将扼要叙述 CAE技术及其软件的现状，并展望最近十 年的发展趋势。
2020/10/17
• CAE软件的计算效率和结果的精度， 主要决定于解法库；如果解法库包含了 各种不同类型的高性能求解算法，它就 会对不同类型、不同规模的问题，以较 快的速度和较高的精度给出计算结果。 先进高效的求解算法与常规的求解算法 相比，在计算效率上可能有几倍、几十 倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行 计算机环境下运行时。
2020/10/17
一．现 状
• 计算机辅助工程起源于上个世纪五十年 代中期。
• 实用的CAE软件诞生于上个世纪七十年 代初期。
• 从上个世纪七零年到八五年的十五年， 是CAE软件的功能和算法的扩充和完善 期，到八十年代中期，逐步形成了商品 化的通用和专用CAE软件。
2020/10/17
• 到上个世纪八十年代后期国际上知名 的CAE软件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN－3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、 FASTRAN 等。
• 实现多体耦合分析、多物理场耦合分析以 及多目标优化设计；
• 实现多尺度和多模型耦合分析，以及结构、 构件及其材料的一体化设计与模拟仿真；
• 基于巨型并行机群系统、Internet、Grid Computing 的高性能的计算机辅助工程；
• CAE 与CAD／CAM / CAPP／PDM / ERP 的集成化、网络化、智能化。
根据工程问题的物理、力学和数学特征，有 限元分析可以分解成若干子系统:
• 线性静力分析子系统, • 动力及高速碰撞分析子系统, • 振动模态分析子系统, • 非线性分析子系统, • 多体耦合与接触分析子系统, • 热分析与热-力耦合分析子系统, …。
2020/10/17
• CAE软件的计算分析与模拟仿真能力， 主要决定于单元库和材料库的丰富和完 善程度，单元库包含的单元类型越多， 材料库包括的材料特性种类越全，对工 程/产品的分析与仿真能力就越强。
2020/10/17
后处理
• 有限元分析结果的数据平滑， • 各种物理量的加工与显示， • 根据设计要求对工程/产品按工程规范
• 它也是工程科学家的研究成果--理论、方 法和科学数据--的归属之一，做成软件和 数据库，成为推动工程和社会进步的最 新生产力。
2020/10/17
• CAE软件是迅速发展中的计 算力学、计算数学、相关的工程 科学、工程管理学与现代计算机 科学和技术相结合，而形成的一 种综合性、知识密集型信息产品。
2020/10/17
• 近十五年CAE软件发展很快，目 前市场上的CAE软件，在功能、性 能、可用性﹑可靠性方面，基本上 满足了用户的当前需求，它们可以 运行在超级并行机，大、中、小、 微等各类计算机系统上。
2020/10/17
通用CAE的算法与软件模块
2020/10/17
前处理
• 三维实体建模与参数化建模， • 构件的布尔运算， • 有限元自动剖分与节点自动编号， • 节点参数自动生成， • 荷载与材料数据输入与公式化导入，
• 国内的CAE软件主要是JIFEX, SAP, FEM, FEPS, …等。
2020/10/17
早期的CAE软件都是采用结构化 软件设计方法、用FORTRAN 语 言和数据文件管理技术，开发的 结构化软件。
2020/10/17
• 近十五年CAE的发展，不仅是 扩充了软件的功能、性能，更重要 的是扩充了用户界面，前、后处理 能力；对数据管理和图形部份，进 行了重大的改造。新增的软件成分 大都采用了面向对象的软件技术和 C++语言。
2020/10/17
CAE与CAD／CAM／CAPP／PDM／ERP 一起，已经成为支持工程行业和制造企 业信息化的主导技术，它们已经在提高 工程/产品的设计质量，降低研究开发成 本，缩短开发周期方面发挥了重要作用， 成为实现工程/产品创新的支撑技术。
2020/10/17
CAE是迅速发展中Fra Baidu bibliotek信息技术：
2020/10/17
CAE软件分类
• 针对特定类型的工程/产品所开发的用于产 品性能分析、预测和优化计算的软件，称为 专用CAE软件。
• 可以对多种类型的工程/产品的性能和行为 进行性能预测、计算分析，模拟仿真，评价 与优化的软件，称为通用CAE软件。
• 通用CAE软件主要由有限元软件、优化设计 软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最 优控制软件和其它专业性的计算软件组成。
节点荷载自动生成， • 有限元模型信息自动生成, ...。
2020/10/17
有限元分析
• 有限单元库， • 材料库及相关算法库， • 约束处理算法， • 静力、动力、振动、线性与非线
性解法库及相应的有限元系统组装 模块库， • 单元内物理场计算等, ...。
2020/10/17
有限元分析子系统
2020/10/17
• 工程和制造企业的生命力在于工 程/产品的创新，而对于工程师 来说，实现创新的关键，除了设 计思想和概念之外，就是采用最 现代化的设计工具和技术手段， 即先进可靠的CAE软件.
2020/10/17
• CAE软件还是科学家进行科学和技术研 究的三大手段之一。它可以帮助科学家 揭示用物质实验手段尚不能表现的科学 奥秘和科学规律。
2020/10/17
• 计算机辅助工程（CAE)，从字面上 讲它包括工程和制造业信息化的所有方 面，但是传统的CAE主要指用计算机对 工程和产品的功能、性能与安全可靠性 进行计算、优化设计，对未来的工作状 态和运行行为进行模拟仿真，及早发现 设计缺陨，改进和优化设计方案，证实 未来工程/产品的可用性与可靠性。
计算机辅助工程（ＣＡＥ）的现 状和未来
崔俊芝
中国工程院 院 士
本报告受到国家自然科学基金项目（ 2005CB321704, 和）资助
2020/10/17
摘要
• 计算机辅助工程（CAE）是一种迅速 发展的信息技术，是实现重大工程和工 业产品的计算分析、模拟仿真与优化设 计的工程软件，是支持工程科学家进行 创新研究和工程师进行创新设计的、最 重要的工具和手段。本报告将扼要叙述 CAE技术及其软件的现状，并展望最近十 年的发展趋势。