淺談CAE技術現狀及發展趨勢

摘 要:本文闡述了CAE技術的發展歷程、功能作用、面臨的挑戰以及發展趨勢。

關鍵詞:CAE發展歷程功能挑戰

中圖分類號:TP391.7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0017-01

CAE是一種在二維或是三維幾何形體CAD的基礎上，運用有限元(FE)\\邊界元(BE)、混合元(ME)、剛性元(RE)、優先差分和最優化等數值計算方法并結合計算機圖形技術、建模技術、數據管理及處理技術的基于對象的設計與分析的綜合技術和過程。其核心技術為有限元與最優化技術。

1 CAE技術的發展歷程

世紀60年代，CAE技術處于探索時期。因為當時的計算機的硬件內存少、磁盤的空間小、計算速度慢等特點，其分析的對象主要是航空航天設備結構的強度、剛度以及模態實驗和分析問。

70～80年代是CAE技術蓬勃發展時期。這一時期的CAE發展的特點:軟件主要集中在計算精度、速度和硬件平臺的匹配、計算機內存的有效利用及磁盤空間的利用。有限元分析技術在結構分析和場分析領域獲得了很大的成功。使用者多數為專家且集中在航空、航天、軍事等幾個領域。這些使用者往往在使用軟件的同時進行軟件的二次開發。

90年代是CAE技術成熟壯大階段。這一時期的CAE軟件一方面與CAD軟件緊密結合，另一方面擴展CAE本身的功能。并將有限元技術與實驗技術有機地結合起來，開發了實驗信號處理、實驗與分析相關等分析能力。

經過了50多年的洗禮CAE技術已經逐步走向成熟，現今CAE技術作為一門新興的學科走進了大學也成為各大企業在設計新產品的過程中必不可少的一環。

隨著新技術的發展CAE軟件與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已經成為支持工程行業和制造企業信息化地主導技術，在提高工程/產品的設計質量、降低研究開發成本，縮短開發周期方面都發揮了巨大的作用。但對于CAE技術的用戶企業和提供商而言，CAE技術仍然面臨著使用復雜，工程師理論知識缺乏，缺少經驗以及計算機硬件與軟件結合等諸多問題

2 CAE技術的功能和作用

(1)采用各種優化技術，找出產品的最佳設計方案。

(2)模擬各種實驗方案，減少實驗時間，縮短設計周期，降低開發成本。

(3)在產品投入生產前預先發現潛在的設計問題。

(4)CAE所起到的虛擬樣機作用能預測產品在整個使用周期內的可靠性，甚至產品與差品、產品與環境之間的相容性。

(5)應用數學模型，借助計算機分析計算，確保產品設計的合理性和設計指標的準確性。

3 CAE技術的框架

3.1 有限元技術的發展

經過60多年的發展，有限元軟件在功能、性能、使用上均達到了比較高的水平。在功能上，影響軟件的前處理器可以調用CAD中的幾何模型，可以便捷地實現網格劃分及自動劃分，靈活地施加各類便捷條件，定義材料特性，設置不同的計算工況，對特殊問題實現用戶子程序的調用等;求解器帶有適合不同問題的求解算法;后處理器可給出所需要的可視化的技術結果。性能上，可完成線性于非線性問題、靜力與動力問題、多材料、各類邊界條件、類工程問題的求解。

3.2 結構優化技術的發展

隨著計算機技術的發展，工程優化設計軟件規模不斷擴大，從最初的十幾個變量發展上萬個變量，從最初的結構尺寸參數優化，到現今的結構形狀優化等。目前具有結構優化功能的軟件有十多種;如專用的結構優化設計軟件SAPOP、ASTROS、OASIS等，其中擁有我國自主版權的DDDU;而在有限元分析軟件中帶有優化設計功能的軟件有ANSYS、MSC.NASTRAN等，還有與CAD相集成的優化設計軟件MSC.VisuaINastran等。

3.3 工程結構動態仿真的發展

在CAD造型設計的基礎上形成了工程結構的動態仿真，在這方面已推出的軟件有ADAMS和WorkingModel等，它們是通用的機械結構仿真軟件。ADAMS提供了模擬實際系統運動和動力過程的仿真環境，可以全面地仿真實際制造活動中的結構、信息及制造過程，該軟件包括十幾個分析模塊。

4 CAE技術面臨的挑戰

4.1 CAE軟件不易操作性

CAE技術當前最直接的挑戰是軟件的不易操作性。這關乎到CAE軟件能否在各個企業普及的關鍵因素

CAE技術分為軟件操作和理論知識。傳統的CAE軟件在操作上比較復雜，更需要經驗的積累，同時CAE技術還涉及到大量的數值計算和力學問題，導致CAE軟件長期得不到普及使用。

4.2 高性能計算

計算機技術的飛速發展帶動了CAE技術的發展步伐，而仿真技術如何跟上計算機更見技術的發展。多如CPU、GPU、工作站等硬件技術的發展迅速為CAE技術提供了一個非常堅實的后盾。充分利用多核CPU、HPC、并行計算等新興技術提供虛擬仿真的分析效率、減少計算時間，將會是CAE技術一個非常重要的發展方向。

為了跟上計算機硬件告訴發展的步伐，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些實用的新算法將不斷問世。而新的算法在對復雜的工程或是產品的仿真時，能夠充分的發揮超級并行計算系統的軟、硬件資源、高效率和高精度地獲得計算結果。

但是，計算速度與計算精度之間存在的矛盾是難以融合的，想要提高計算速度就必然要以犧牲精度為代價，這不僅僅是軟件、硬件所能夠解決的問題，說回來還是需要CAE工程師能夠在仿真過程中有足夠的分析經驗和判斷能力，在計算速度與計算精度之間調節出一個最為適合企業應用的方案。

4.3 CAD/CAE軟件一體化

CAD與CAE技術的相互融合相互滲透已經成為企業用戶一種自身的有效需求。在新型CAD/CAE設計分析一體化技術產品的幫助下工業化研究、設計實現了從經驗設計到計算機輔助設計的轉變。而CAD/CAE一體化技術的出現，也使得工業流程得到了縮減研究，設計過程基本融合，可大大縮短產品周期，提高產品質量。

目前設計分析一體化是所有CAD公司的主要目標，其核心意圖就是為了實現在設計過程中充分考慮產品的性能和優化，提升產品質量和改善產品性能。而CAD/CAE技術緊密結合在一起則已經成為了CAE技術的一個非常重要的發展方向。

5 CAE技術的發展趨勢

(1)設計數據、設計模型、修改/升級模板、專家經驗的過程化和通用化。以進一步改善和提高設計效率。

(2)降低對不同的個別的CAE工具軟件的依賴性，提供“零文本編輯;的用戶界面，輔之以智能化，以最大程度地方便各種水平的用戶。

(3)創建大規模漸進結構的設計平臺，以減少或避免產品開發和設計過程的中斷，保證過程延續性。

(4)CAE軟件面向對象的工程數據庫及其管理系統，高性能價格比的大容量存貯器及其高速存取技術在迅速發展，PC機地硬盤容量很快將有GB量級達到TB量級，用戶將要求更多的計算模型、設計方案、標準規范和知識性信息納入CAE軟件的數據庫中，這必將推動CAE軟件數據庫及其數據管理技術的發展，高性能的面向對象的工程數據庫及其管理系統將會出現在新一代的CAE軟件中。

參考文獻

[1]張博林，黃勇.基于Pro/TOOLKIT的CAD/CAE集成的研究.制造技術于機床，2006.

[2]張軍，張建國，郅強，等.加強CAE技術在產品設計中的應用.煤礦機械，2009.