計算機輔助工程(CAE)技術簡介

李 鴻

[摘要]本文結合國內外計算機輔助工程(CAE)的發展狀況,對我國CAE技術發展及加入WTO后的應對措施提出了一些看法和認識。

[關鍵詞]計算機輔助工程 CAE

一、計算機輔助工程概述

一項工程往往是比較復雜的,在正式工程設計之前,都要對設計方案進行精確的試驗、分析和論證,并對正式施工的全過程進行嚴格的管理和監測。這些工作借助計算機來實現,就是計算機輔助工程(簡稱CAE)。可以說CAE是包括產品設計、工程分析、數據管理、試驗、仿真和制造在內的計算機輔助設計和生產的綜合系統。計算機輔助工程(CAE)作為一項跨學科的數值模擬分析技術,越來越受到科技界和工程界的重視。

計算機輔助工程的特點是以工程和科學問題為背景,建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面,CAE技術的應用,使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題,通過計算機數值模擬得到滿意的解答;另一方面,計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化,使復雜的過程層次化,節省了大量的時間,避免了低水平重復的工作,使工程分析更快、更準確。在產品的設計、分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用,同時CAE這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發展,技術的發展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步。

二、國外CAE技術概況

CAE技術在國外已經廣泛應用于不同領域的科學研究,并普遍應用于實際工程問題,在解決許多復雜的工程分析方面發揮了重要作用。現在,國外在科學研究和工業化應用方面,計算機輔助工程技術已達到了較高的水平,許多大型的通用分析軟件已相當成熟并已商品化,而且在工程上也已達到了實用化階段。僅以有限元分析軟件為例,國際上不少先進的大型通用有限元計算分析軟件的開發已達到較成熟的階段并已商品化,如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。這些軟件具有良好的前后處理界面,靜態和動態過程分析以及線性和非線性分析等多種強大的功能,都通過了各種不同行業的大量實際算例的反復驗證,其解決復雜問題的能力和效率,已得到學術界和工程界的公認。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業設計等許多領域中得到了廣泛的應用。

就CAE技術的工業化應用而言,西方發達國家目前已經達到了實用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術的結合,使企業能對現代市場產品的多樣性、復雜性、可靠性、經濟性等做出迅速反應,增強了企業的市場競爭能力。在許多行業中,計算機輔助分析已經作為產品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規范加以實施。以國外某大汽車公司為例,絕大多數的汽車零部件設計都必須經過多方面的計算機仿真分析,否則根本通不過設計審查,更談不上試制和投入生產。計算機數值模擬現在已不僅僅作為科學研究的一種手段,在生產實踐中也已作為必備工具普遍應用。

三、我國CAE技術現狀

隨著我國科學技術現代化水平的提高,計算機輔助工程技術也在我國蓬勃發展起來。科技界和政府的主管部門已經認識到計算機輔助工程技術對提高我國科技水平,增強我國企業的市場競爭能力乃至整個國家的經濟建設都具有重要意義。通過多年的不懈努力,我國的CAE技術研究開發和推廣應用在許多行業和領域已取得了一定的成績,建立了自己的計算機輔助工程科技隊伍,在許多領域開展了CAE技術的研究和應用。但目前我們的CAE技術與發達國家相比仍存在一定的差距,研究和應用的水平還不能說很高,特別是在具有自主知識產權的大型通用分析軟件的開發和CAE技術的工業化應用方面,這種差距還相當明顯。

我國的計算機分析軟件開發是一個薄弱環節,嚴重地制約了CAE技術的發展。在CAE分析軟件開發方面,我國目前至少落后于美國等發達國家十年。計算機軟件是高技術和高附加值的商品,目前的國際市場為美國等發達國家所壟斷,我國自己民族的軟件工業僅占有很少量的市場份額。提高我國工業企業的科學技術水平,將CAE技術廣泛應用于設計與制造過程還是一項相當艱巨的工作。

四、CAE技術展望及對策

新的世紀已經來臨,在這信息化和網絡化的時代,隨著計算機技術、CAE軟件和網絡技術的進步,計算機輔助工程得了到極大的發展。

硬件方面,計算機將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進步。可以預見,不久的將來PC機將在運行速度和存儲容量方面得到大幅度的提高,使許多CAE分析軟件都能在PC機上運行。這將為CAE技術的普及創造更好的硬件基礎,促進CAE技術的工業化應用。

軟件方面,現有的計算機仿真分析軟件將得到進一步的完善。大型通用分析軟件的功能將愈來愈強大,界面也將愈來愈友好,涵蓋的工程領域將愈來愈普遍。同時,適用于某些專門用途的專用分析軟件也將受到重視并被逐步開發完善起來,各行各業都將會具有適于各自領域的計算機仿真分析軟件。

網絡化時代的到來也將對CAE技術的發展帶來不可估量的促進作用。通過網絡信息傳遞,不僅對某些技術難題,甚至對于全面的CAE分析過程都有可能采用互聯網對用戶在其分析過程中遇到的困難提供技術支持,這必將在CAE技術的推廣應用方面發揮極為重要的作用。

中國加入WTO后,我國的產品必須與國際接軌,面對國際市場。工業界必須對市場需求做出迅速反應,縮短工程設計周期,優化產品和節省造價,保證產品質量,才能贏得市場。為此,在產品的設計制造過程中應用CAD、CAE和CAM等技術是最好的選擇,這已經成為國際上科技界和工業界的共識。CAE技術水平的提高必將對增強我國工業界的市場競爭能力,發展國民經濟發揮重要作用。我國科技界、教育界和工業界應該攜起手來為CAE技術的研究開發、人才培養和工業化應用而共同努力。