计算机辅助工程(CAE)技术简介

李 鸿

[摘要]本文结合国内外计算机辅助工程(CAE)的发展状况,对我国CAE技术发展及加入WTO后的应对措施提出了一些看法和认识。

[关键词]计算机辅助工程 CAE

一、计算机辅助工程概述

一项工程往往是比较复杂的,在正式工程设计之前,都要对设计方案进行精确的试验、分析和论证,并对正式施工的全过程进行严格的管理和监测。这些工作借助计算机来实现,就是计算机辅助工程(简称CAE)。可以说CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的计算机辅助设计和生产的综合系统。计算机辅助工程(CAE)作为一项跨学科的数值模拟分析技术,越来越受到科技界和工程界的重视。

计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景,建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面,CAE技术的应用,使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题,通过计算机数值模拟得到满意的解答;另一方面,计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化,使复杂的过程层次化,节省了大量的时间,避免了低水平重复的工作,使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用,同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展,技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。

二、国外CAE技术概况

CAE技术在国外已经广泛应用于不同领域的科学研究,并普遍应用于实际工程问题,在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用。现在,国外在科学研究和工业化应用方面,计算机辅助工程技术已达到了较高的水平,许多大型的通用分析软件已相当成熟并已商品化,而且在工程上也已达到了实用化阶段。仅以有限元分析软件为例,国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化,如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。这些软件具有良好的前后处理界面,静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能,都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证,其解决复杂问题的能力和效率,已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。

就CAE技术的工业化应用而言,西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合,使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应,增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中,计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。以国外某大汽车公司为例,绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析,否则根本通不过设计审查,更谈不上试制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段,在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。

三、我国CAE技术现状

随着我国科学技术现代化水平的提高,计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到计算机辅助工程技术对提高我国科技水平,增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有重要意义。通过多年的不懈努力,我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩,建立了自己的计算机辅助工程科技队伍,在许多领域开展了CAE技术的研究和应用。但目前我们的CAE技术与发达国家相比仍存在一定的差距,研究和应用的水平还不能说很高,特别是在具有自主知识产权的大型通用分析软件的开发和CAE技术的工业化应用方面,这种差距还相当明显。

我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。在CAE分析软件开发方面,我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品,目前的国际市场为美国等发达国家所垄断,我国自己民族的软件工业仅占有很少量的市场份额。提高我国工业企业的科学技术水平,将CAE技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。

四、CAE技术展望及对策

新的世纪已经来临,在这信息化和网络化的时代,随着计算机技术、CAE软件和网络技术的进步,计算机辅助工程得了到极大的发展。

硬件方面,计算机将在高速化、小型化和大容量方面取得更大进步。可以预见,不久的将来PC机将在运行速度和存储容量方面得到大幅度的提高,使许多CAE分析软件都能在PC机上运行。这将为CAE技术的普及创造更好的硬件基础,促进CAE技术的工业化应用。

软件方面,现有的计算机仿真分析软件将得到进一步的完善。大型通用分析软件的功能将愈来愈强大,界面也将愈来愈友好,涵盖的工程领域将愈来愈普遍。同时,适用于某些专门用途的专用分析软件也将受到重视并被逐步开发完善起来,各行各业都将会具有适于各自领域的计算机仿真分析软件。

网络化时代的到来也将对CAE技术的发展带来不可估量的促进作用。通过网络信息传递,不仅对某些技术难题,甚至对于全面的CAE分析过程都有可能采用互联网对用户在其分析过程中遇到的困难提供技术支持,这必将在CAE技术的推广应用方面发挥极为重要的作用。

中国加入WTO后,我国的产品必须与国际接轨,面对国际市场。工业界必须对市场需求做出迅速反应,缩短工程设计周期,优化产品和节省造价,保证产品质量,才能赢得市场。为此,在产品的设计制造过程中应用CAD、CAE和CAM等技术是最好的选择,这已经成为国际上科技界和工业界的共识。CAE技术水平的提高必将对增强我国工业界的市场竞争能力,发展国民经济发挥重要作用。我国科技界、教育界和工业界应该携起手来为CAE技术的研究开发、人才培养和工业化应用而共同努力。