CAE的特点和研究现状

CAE的特点和研究现状
摘要：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。

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
关键词： CAE ANSYS 有限元分析网格划分建模
引言
CAE（计算机辅助工程分析）主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。

在国内有限元法应用最为广泛，故此在这里主要介绍有限元类软件在国内的应用，其他一些软件不做过多的阐述。

作为20世纪中期兴起的技术手段，有限元技术随着计算机技术的迅猛发展，得到了飞速的发展和广泛的应用。

基于有限元技术，已经在国际上形成了数百亿规模的市场，而主要的有限元厂商则包括了ABAQUS、Solidworks Simulation 、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的专业分析软件则不胜枚举。

近几年来，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大企业所认可，第三
次有限元技术的应用浪潮正在形成。

值得注意的是，有限元技术不再仅仅停留在高校中，而是更多的走向了企业。

同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。

发展历史
国际上早20世纪在50年代末、60年代初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。

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。

此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。

衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。

ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进中国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。

中国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。

仅以有限元计算分析软件为例，世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。

相比之下，中国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。

进入20世纪90年代以来，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，使得CAE软件在
功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要，它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。

CAE的特点和应用范围
CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来，应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合，实现全过程的科学化、信息化管理，以取得良好的经济效益和优良的工程质量。

CAE 的功能结构应包含计算机辅助工程计划管理、计算机辅助工程设计、计算机辅助工程施工管理及工程文档管理等项。

计算机辅助工程计划管理包括工程项目的可行性论证、标书、成本与报价、工程计划进度、各子项工程计划与进度、预决算报告等。

计算机辅助工程设计包括工程的设计指标、工程设计的有关参数及CAD系统，在CAD系统中应强调设计人员的主导作用，同时注重计算机所提供的支撑与帮助，以在最短的时间内拿出最优的设计方案来。

同时，还要注意设计数据的提取和保存，以使其有效地服务于工程的整个生命周期。

计算机辅助施工管理包括工程进度、工程质量、施工安全、施工现场、施工人员、物料供给等方面的管理、控制和调度。

它涉及到工程管理学、运筹学、统计学、质量控制等科学技术。

当然，管理人员的自身素质是管理工作中的决定因素，必须十分重视管理人员在管理环节中的作用。

CAE技术可广泛地应用于国民经济的许多领域，像各种工业建设项目，例如工厂的建设，公路、铁路、桥梁和隧道的建设；像大型工程项目，例如电站、水坝、水库、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。

它还可应用于企业生产过程之中，及其它的企业经营、管理控制过程中，例如工厂的生产过程、公司的商业活动等。

CAE的分类
良好的接口及前后处理功能为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。

CAE、CAD软件开发者为避免重复劳动,提高效率，实现了CAD、CAE之间几何模型的共享，使CAE技术涉及的领域越来越宽，学科包括力学、电磁学、化学等，使用者从分析专家转向了设计工程师-随着CAE技术各功能的完善、改造和扩充，目前国际上先进的CAE软件可对工程和产品进行如下的性能分析、预测及运行行为模拟：
(1) 静力和拟静力的线性与非线性分析包括对备种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤,以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。

(2) 线性与非线性动力分析包括交变栽荷、爆炸冲击载荷、随机地震栽荷，以及各种运动载荷下的动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析。

(3) 稳态与瞬态热分析包括传导、对流和辐射状态下的热分析、相变分析，以及热/结构耦合分析。

(4) 静态和交变态的电磁场和电流分析包括电磁场分析、电流分析、压电行为分析，以及电磁/结构耦合分析。

(5) 流体计算包括常规的管内和外场层流、湍流、热流耦合，以及流/固耦合分析。

总之,现行的CAE技术已经成熟，CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问已基本解决。

CAE是CAD技术的深化与发展，CAD、CAM 等技术实现了数字化，CAE技术则是信息化的核心，是现代工程和制造业创新的关键手段，且CAE 技术在实现创新的同时，可提高设计质,降低研究开发成本，缩短研究开发周期当今的CAE软件已处于商品化时代，与CAD、GAM、CAPP、PDM、ERP等软件一起，逐步形成一个包括研究、开发、营销、培训服务等在内的应用软件产业，是信息业的一个重要组成部分，对工程和制造业的技术创新有重大影响,对国民经济的发展有积极的作用。

国内发动机CAE技术的应用现状、不足和改进
目前国内发动机企业大多数均拥有相应的产品开发流程，基本上是根据国家及相关行业标准或企业自主开发的要求来制定，如APQP、PDM、GVDP、GPDP等，但流程的专业化程度及考虑因素完整性等方面均存在不同程度的缺陷。

通过对企业相应流程进行分析，发现CAE技术在发动机产品开发应用过程中存在以下不足：（1)完整性。

企业通常认为CAE技术就是指模拟计算，忽视了与模拟计算相关的试验、设计的重要性，同时还忽视了对相关实践经验（隐性知
识、显性知识）的积累，造成了 C A E技术应用效果不佳；（2)时效性。

发动机产品开发的时效性不仅体现在技术人员的能力本身，也体现在相关部门协调性上。

而企业往往存在出现问题和矛盾时才向上寻找问题的根源或相互推卸责任的现象，从而影响着产品的开发效率和质量；（3)有效性。

发动机产品开发是一个严密性、系统性极强的过程，而国内发动机企业产品开发通常以“整机-零部件”的模式进行，这种模式不仅忽略了相关部件及子系统间的匹配与集成，同时还忽略了与整车的配套，造成了产品开发整体质量不能获得有效提升。

有效的产品开发方法和流程可以提高产品开发的效率和质量，并能降低开发成本。

CAE技术作为产品开发过程中的重要内容，如何有效地应用到产品开发流程中，是提升企业产品开发能力的关键。

综合了当今先进的产品开发理论知识，结合发动机的产品开发特点，在实践和总结的基础上提出了“整车-整机-子系统-零部件”的开发模式，并对发动机CAE技术内容范畴进行重新定义和管理。

以EGR 系统开发为例进行了流程设计，实践证明该方法确实可有效提高企业研发水平。

CAE技术的发展趋势
随着科学技术的迅速发展,互连网技术的普及和全球信息化，CAE技术的功能进一步扩充,性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势。

(1)数学模型
数值算法逐步完善，理论向纵深方向发展塑料模具CAE技术的实用性取决T数学模型的准确及数值算法的精确。

随着相关领域的技术进步,数学模型对成型过程的描述更准确、真实。

(2)人工智能.知识工稈的运用，使用户界面更加友好
由T计算机技术及多媒体技术的发展,用户界面择有更强的直观、直感和直觉性，用户能以较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等信息提示,实现简单的“傻瓜”操作。

计算图形处理能力的大幅度提高，以及S维图形算法、图形运算和参数化建模方法的发展,CAE软件的前后处理枝术将会有新的发展。

(3)优化理论及算法,使CAE技术“主动”地优化设汁
现有的CAE技术是建立在科学计算的基础上的，但仅仅校验设计方案的合理性，“优化”仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技巧，利用现有的模拟结果,借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。

(4)CAE技术的集成化与网络化发展
现代设计理论的应用，如并行工程等，用户将需要无缝连接的集成化的软件，具有专业特色的CAD/CAE/CAM/ CAPP/PDM/ERP产品将应运而生，逐步完成模具及成型加工全过程的模拟及控制，形成“过程工秤与技术”的关键技术。