CAE技術在制造業(yè)中的發(fā)展

摘 要：制造業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，CAE仿真技術則是制造技術和信息技術結合的橋梁。CAE仿真技術是21世紀制造業(yè)的一項關鍵性支撐技術。

關鍵詞：CAE；制造業(yè)；發(fā)展

1 引言

近年來，隨著計算機仿真技術的飛速發(fā)展，各種各樣的仿真軟件不斷誕生，功能也日漸強大和完善。計算機仿真主要可以分為CAD類（如UG、CATIA、AutoCAD、Solidworks、Pro/E等）、CAE類（有限元軟件如Nastran、Abaqus、Hyper-works、Ansys等；CFD軟件如Fluent、Star-CD等；還有多體動力學仿真軟件Adams等）、CAM類（如Mastercam等）等。其中CAE技術在現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

2 CAE的概念及其發(fā)展歷程

CAE（Computer Aided Engineering）從字面上講是計算機輔助工程，其概念很廣，可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面。

20世紀60-70年代，有限元技術主要針對結構分析進行發(fā)展，以解決航空航天技術中的結構強度、剛度以及模態(tài)實驗和分析問題。世界上CAE的三大公司先后成立，致力于大型商用CAE軟件的研究與開發(fā)。

1963年MSC公司成立，開發(fā)稱之為SADSAM （Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）結構分析軟件。1965年MSC參與美國國家航空及宇航局（NASA）發(fā)起的計算結構分析方法研究，其程序SADSAM更名為MSC/ Nastran。

1967年Structral Dynamics Research Corporation（SDRC）公司成立，并于1968年發(fā)布世界上第一個動力學測試及模態(tài)分析軟件包，1971年推出商用有限元分析軟件Supertab（后并入I-DEAS）。

1970年Swanson Analysis System，Inc.（SASI）公司成立，后來重組后改為稱ANSYS公司，開發(fā)了ANSYS軟件。

20世紀70-80年代是CAE技術的蓬勃發(fā)展時期，這期間許多CAE軟件公司相繼成立。如致力于發(fā)展用于高級工程分析通用有限元程序的MARC公司；致力于機械系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)的MDI公司；針對大結構、流固耦合、熱及噪聲分析的CSAR公司；致力于結構、流體及流固耦合分析的ADIND公司等等。

在這個時期，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。從力學模型開始拓展到各類物理場（如溫度場、電磁場、聲波場等）的分析，從線性分析向非線性分析（如材料為非線性、幾何大變形導致的非線性、接觸行為引起的邊界條件非線性等）發(fā)展，從單一場的分析向幾個場的耦合分析發(fā)展。出現(xiàn)了許多著名的分析軟件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。軟件的開發(fā)主要集中在計算精度、速度及硬件平臺的匹配，使用者多數(shù)為專家且集中在航空、航天、軍事等幾個領域。從軟件結構和技術來說，這些CAE軟件基本上是用結構化軟件設計方法，采用FORTRAN語言開發(fā)的結構化軟件，其數(shù)據(jù)管理技術尚存在一定的缺陷，運行環(huán)境僅限于當時的大型計算機和高檔工作站。

進入20世紀90年代以來，CAE開發(fā)商為滿足市場需求和適應計算機硬、軟件技術的迅速發(fā)展，對軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前后處理能力進行了大幅擴充，對軟件的內部結構和部分模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進行了重大改造，使得CAE軟件在功能、性能、可用性和可靠性以及對運行環(huán)境的適應性方面基本滿足了用戶的需要，它們可以在超級并行機、分布式微機群、大、中、小、微各類計算機和各種操作系統(tǒng)平臺上運行。

3 CAE在制造業(yè)應用現(xiàn)狀

目前，CAE軟件在國內主要應用于汽車、電子、航空航天、土木工程、石油等行業(yè)，在汽車行業(yè)的應用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件和行業(yè)專用軟件。汽車行業(yè)在國外是有限元軟件的主要應用行業(yè)，其所涉及的專業(yè)領域相當廣泛，并且應用歷史長、應用成熟度高。

國內常見的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，這些軟件在美國的汽車廠商中都有著廣泛的應用。這些前后處理軟件都具有良好的接口，可與眾多的有限元求解軟件相結合，以便用戶更快、更方便地解算問題。

近年來，分析軟件正朝著多物理場的方向發(fā)展。例如，ANSYS公司收購CFX流體軟件，并加強與EMSS公司的合作，不斷加強其多物理場耦合的功能。同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。由于解算多物理場問題更多是從物理方程出發(fā)，因此另外還有一些軟件在這方面有著良好的應用，比如MathWorks公司在數(shù)值計算軟件MATLAB基礎上發(fā)展起來的FEMLAB，又如國內飛箭公司針對微分方程的FEPG系統(tǒng)。

此外，專用有限元軟件受其應用領域的限制，只能在各自的行業(yè)領域得到應用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件，可進行各種金屬材料澆鑄、流動性、固化、壓力、應力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據(jù)計算結果更改設計，調整帽口的位置和數(shù)量，進而提高鑄造質量。法國ESI公司的ProCAST，軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領域應用比較多的Deform系統(tǒng)，也得到了國內很多企業(yè)的認可。

在板材成型行業(yè)里，有AUTOFORM系列軟件，該軟件單元架構基于膜單元形式，因此其運算速度在同行業(yè)內相對較快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流動性分析可直觀地預測出沖壓件厚度及應力分布、開裂和皺褶的形成等。另外，來自ETA公司的DYNAFORM可以預測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設計提供幫助。由于這一類分析工作與模具設計有著非常大的關聯(lián)，因此以上這些軟件都注重與CAD軟件的接口，基本都與流行的三維設計軟件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有著良好的接口，軟件的使用操作也都比較方便。

另外，在汽車行業(yè)應用中，經(jīng)常要對整車進行機械動力學仿真，在這一領域中，國內常見的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來進行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動態(tài)仿真。另外在國內應用比較廣泛的還有美國ETA公司的VPG（Virtual Proving Ground）虛擬試驗場。

從總體上講，CAE技術的發(fā)展趨勢是變量化、智能化、三維化、集成化、網(wǎng)絡化和標準化。

4 結束語

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，在制造業(yè)中應用CAE技術最直接的效果是縮短研發(fā)時間和成本，使設計人員通過現(xiàn)有的知識對產(chǎn)品實現(xiàn)過程作出可靠的預測，大大促進了產(chǎn)品設計、過程設計、過程運行，甚至企業(yè)管理水平的提高。

作者簡介

姜蘭蘭（1978—），女，山東威海市人，碩士，現(xiàn)就職于山東東營職業(yè)學院，講師，主要從事機械設計與自動化方面的教學、研究工作。