计算机辅助工程大作业

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。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组，得到的是近似的数值解，求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。

CAE从20世纪60年代初开始在工程上应用到今天，已经历了40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/CAPP/CAM/CAE）的重要环节。

CAE系统的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以用通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替

代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此

过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图，通常称此过程为CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置（整机）乃至生产线、工厂的运动或运行状态，在CAE的应用过程中，前、后置处理是最重要的工作。

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工具和手段。CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自1943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函

数的最小位能原理来求解St．Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。实用的CAE软件诞生于20世纪70 年代初期。从20 世纪的1970年到1985年，是CAE 软件功能和算法的扩充和完善期。到了20世纪80年代中期，逐步形成了数十个商品化的通用和专用CAE 软件。近20 年来，CAE 软件发展得很快。目前，市场上的CAE 软件，在功能、性能、可用性和可靠性方面，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。伴随着计算机技术的飞速发展，CAE技术还在迅速更新发展中。

现代CAE 软件有两类：

◆针对特定类型的工程/ 产品所开发，用于产品性能分析、预测和优化计算的软件，称为专用C A E软件。

◆可以对多种类型的工程/ 产品的性能和运行行为，进行预测、计算分析、模拟仿真、评价与优化的软件，称为通用C A E 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。

从20 世纪1970年到1985年的15 年间，是CAE 软件功能和算法的

扩充和完善期，到20世纪的80年代中期，逐步形成了商品化的通用和

专用C A E 软件。在此期间，德国和法国分别研发出了M O D U L E F、A S K A 等C A E 软件。它们都是建立在有限元算法基础上，采用结构化软件设计方法、F O R T R A N 语言和数据文件管理技术，开发的结构化的C A E 软件。崔俊芝院士说：“也就是在这个时期，有了‘C A E’这个名字。它与C A D、C A M 紧密相连，同时诞生。”

在20 世纪70 年代后期和80 年代初期，在发达国家，特别是在美国，在政府专项资金的支持下，一批大学和科研机构里的专家、教授走出学校，专门从事C A E 软件开发和推广应用，C A E 软件开始商品化。在C A E 软件商品化期间，C A E 技术的应用逐步走出科研领域，C A E 技术不仅是高科技人员使用，工程师们也使用，去快速地解决更多更广的工程和产品设计问题。到了20世纪80年代中期，国外知名的C A E 软件有N A S T R A N、M A R C、A N S Y S、 A B A Q U S、A D I N A 、D Y N - 3 D、A S K A、M O D U L E F 等

目前，80/ 软件已在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。例如在汽车设计行业，在发动机方面可进行其性能的计算机估计，燃烧过程的计算机模拟，冷却、传热的9/B 分析、缸体等结构的9/B 强度分析；在车身方面，可进行车身结构动态静态有限元分析，车身外型空气动力学计算机模拟，车身噪声分析；在底盘方面，可进行车架有限元分析，悬架机构有限元分析，变速器、传动轴及车桥等结构强度的9/B 分析；在整车方面，可进行汽车平顺性，操纵稳定性的计算机模拟及撞车的有限元模拟。通过采用80/ 技术，极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。例如国外著名轿车在豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造!"" 多辆样车才能完成汽车的安全碰撞设计，现在有Y" 多辆就足够了，大部分的设计内容都是通过有限元分析软件在电脑中模拟实现的，这样可以节约! D 4 的资金和大量研制时间。在飞机制造行业，以前通过做风洞实验检测飞机的各项能，如今许多实验都是通过电脑实现的。在国外的日用消费品设计中，80/ 软件应用也很广泛。著名体育用品厂商耐克公司，在高级旅游鞋的受力结构研究设计中，就是采用有限元分析技术在保证鞋体受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量。

随着软件的应用领域越来越宽，其使用者也从绝大多数为分析专家转变到目前的设计者和设计工程师占多数，软件也变的更加易于使用，界面更加友好和智能化，朝着适应用户要求的方向发展。