CAE的現(xiàn)狀和未來-崔俊芝院士分析.ppt

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1、計算機輔助工程（）的現(xiàn) 狀和未來 摘 要 計算機輔助工程 （ CAE） 是一種迅速 發(fā)展的信息技術 ， 是實現(xiàn)重大工程和工 業(yè)產(chǎn)品的計算分析 、 模擬仿真與優(yōu)化設 計的工程軟件 ， 是支持工程科學家進行 創(chuàng)新研究和工程師進行創(chuàng)新設計的 、 最 重要的工具和手段 。 本報告將扼要敘述 CAE技術及其軟件的現(xiàn)狀 ， 并展望最近十 年的發(fā)展趨勢 。 一概 述 計算機輔助工程（ CAE)，從字面上 講它包括工程和制造業(yè)信息化的所有方 面，但是傳統(tǒng)的 CAE主要指用計算機對 工程和產(chǎn)品的功能 、 性能與安全可靠性 進行計算 、優(yōu)化設計 ，對未來的工作狀 態(tài)和運行行為進行模擬仿真，及早發(fā)現(xiàn) 設計缺隕，改進

2、和優(yōu)化設計方案，證實 未來工程 /產(chǎn)品的可用性與可靠性。 工程師進行創(chuàng)新設計的重要手 段和工具 工程和制造企業(yè)的生命力在于工 程 /產(chǎn)品的創(chuàng)新，而對于工程師 來說，實現(xiàn)創(chuàng)新的關鍵，除了設 計思想和概念之外，最主要的技 術手段，就是采用先進可靠的 CAE軟件 . 科學家進行創(chuàng)新研究的重要手 段 科學計算是現(xiàn)代科學家進行科學和技術 研究的三大手段之一。它可以幫助科學 家揭示用物質(zhì)實驗手段尚不能表現(xiàn)的科 學奧秘和科學規(guī)律。 同時，它也是工程科學家的研究成果 -理 論、方法和科學數(shù)據(jù) -的歸屬之一，做成 軟件和數(shù)據(jù)庫，成為推動工程和社會進 步的最新生產(chǎn)力。 CAE軟件是迅速發(fā)展中的計 算力學、計算數(shù)學

3、、相關的工程 科學、工程管理學與現(xiàn)代計算機 科學和技術相結合，而形成的一 種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。 CAE軟件分類 針對特定類型的工程 /產(chǎn)品所開發(fā)的用于 產(chǎn)品性能分析、預測和優(yōu)化計算的軟件， 稱為專用 CAE軟件。 可以對多種類型的工程 /產(chǎn)品的工程行為 進行計算分析，模擬仿真，性能預測、 評價與優(yōu)化的軟件，稱為通用 CAE軟件。 通用 CAE軟件主要由有限元軟件 、優(yōu)化 設計軟件、計算流體軟件、電磁場計算 軟件、最優(yōu)控制軟件和其它專業(yè)性的計 算軟件組成。 CAE技術已經(jīng)成熟， CAE軟件的可 用性、可靠性和計算效率問題已經(jīng) 基本解決。 CAE與 CAD / CAM CAPP PDM

4、/ ERP軟件一起，已經(jīng)成為企業(yè)家和 工程師們實現(xiàn)工程 /產(chǎn)品創(chuàng)新的得力 助手和有效工具。同時，也已成為 專家、教授進行研究重要手段。 CAE與 CAD CAM CAPP PDM ERP一起，已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和 制造企業(yè)信息化的重要技術，它們已經(jīng) 在提高工程 /產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低研究 開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期方面發(fā)揮了重 要作用，成為實現(xiàn)工程 /產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐 技術。 發(fā)展趨勢 擴充 CAE功能，實現(xiàn)多結構耦合分 析，實現(xiàn)多物理場耦合分析，多尺 度耦合分析，以及結構、構件及其 材料的一體化設計計算與模擬仿真。 基于 Internet/Intranet = Grid Computing 的

5、、 CAD CAE CAM / CAPP PDM / ERP的集成化 、 網(wǎng) 絡化、 智能化 。 二現(xiàn) 狀 計算機輔助工程計算起源于五十年代 中期 。 實用的 CAE軟件誕生于七十年代初期 。 從七零年到八五年的十五年 ， 是 CAE 軟件的功能和算法的擴充和完善期 ， 到 八十年代中期 ， 逐步形成了商品化的通 用和專用 CAE軟件 。 到八十年代后期國際上知名的 CAE 軟件有 NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN 3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、 FASTRAN 等。 國內(nèi)的 CAE軟件主要是 JIFEX, FEM, FEPS等。 它們都是采

6、用結構化軟件設 計方法 、用 FORTRAN語言和數(shù) 據(jù)文件管理技術，開發(fā)的結構化 軟件。 近十五年 CAE的發(fā)展，不僅是 擴充了軟件的功能、性能，更重要 的是擴充了用戶界面，前、后處理 能力；對數(shù)據(jù)管理和圖形部份，進 行了重大的改造。新增的軟件成分 大都采用了面向對象的軟件技術和 C+語言。 近十五年 CAE軟件發(fā)展很快， 目前市場上的 CAE軟件，在功能、 性能、可用性 可靠性方面，基 本上滿足了用戶的需求，它們可 以運行在超級并行機，大、中、 小、微等各類計算機系統(tǒng)上。 通用 CAE的算法與軟件模塊 前處理 三維實體建模與參數(shù)化建模， 構件的布爾運算， 有限元自動剖分與節(jié)點自動編號， 節(jié)

7、點參數(shù)自動生成， 荷載與材料數(shù)據(jù)輸入與公式化導入， 節(jié)點荷載自動生成， 有限元模型信息自動生成 有限元分析 有限單元庫， 材料庫及相關算法庫， 約束處理算法， 靜力、動力、振動、線性與非線 性解法庫及相應的有限元系統(tǒng)組裝 模塊庫， 單元內(nèi)物理場計算等 , .。 有限元分析子系統(tǒng) 根據(jù)工程問題的物理、力學和數(shù)學特征，有 限元分析可以分解成若干個子問題子系統(tǒng) : 線性靜力分析子系統(tǒng) , 動力及高速碰撞分析子系統(tǒng) , 振動模態(tài)分析子系統(tǒng) , 非線性分析子系統(tǒng) , 多體耦合與接觸分析子系統(tǒng) , 熱分析與熱 -力耦合分析子系統(tǒng) CAE軟件的計算分析與模擬仿真能力 ， 主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完

8、善程度 ， 單元庫包含的單元類型越多 ， 材料庫包括的材料特性種類越全 ， 其對 工程 /產(chǎn)品的分析與仿真能力就越強 。 知名 CAE軟件的單元庫一般都有百余 種單元 ， 并擁有一個比較完善的材料庫 。 CAE軟件的計算效率和計算結果的 精度，主要決定于解法庫；如果解法庫 包含了各種不同類型的高性能求解算法， 那它就會對不同類型、不同規(guī)模的問題， 以較快的速度和較高的精度給出計算結 果。先進高效的求解算法與常規(guī)的求解 算法相比，在計算效率上可能有幾倍、 幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在 并行計算機環(huán)境下運行。 后處理 有限元分析結果的數(shù)據(jù)平滑， 各種物理量的加工與顯示， 根據(jù)設計要求對工程

9、/產(chǎn)品按工程規(guī)范 進行設計數(shù)據(jù)檢驗， 優(yōu)化設計， 配筋設計與繪制設計圖， . 前后處理是近十多年發(fā)展最快的 CAE軟件成份，它們是 CAE軟件滿足用 戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化， 并實現(xiàn)與 CAD、 CAM、 CAPP、 PDM等 軟件無縫集成的關鍵成份； 通過 增加面 向行業(yè)的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化算法模塊 實現(xiàn) 了特定行業(yè)的有效應用 . ANSYS軟件通過 增設與 CAD 軟件的 接口模塊，實現(xiàn)了與 Pro/Engineer， CADDS， Unigraphic， Solidedge， CADIA， Solidworks， MDT以及 SolidDesigner， MicroStation等

10、軟件的有 效集成。 2021/1/27 用戶界面 用戶界面包括交互式圖形界面， 數(shù)據(jù)導入與導出宏命令 , CAE相關的 GUI圖符， 智能化用戶界面支持系統(tǒng) (專家系統(tǒng)）。 有些 CAE軟件擁有專用的智能化用戶 界面，能夠幫助用戶選擇單元形態(tài)，分 析流程，判斷分析結果等，使用戶使用 CAE軟件，就像使用“傻瓜”相機一樣， 具有一按即得的功效。 國產(chǎn)的“傻瓜”型機械 CAE軟件已經(jīng) 聞世兩年。 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫 不同的 CAE軟件采用的數(shù)據(jù)管理技術 不同：文件管理系統(tǒng)，關系型數(shù)據(jù)庫管 理系統(tǒng)，面向對象的工程數(shù)據(jù)庫管理系 統(tǒng)等； 數(shù)據(jù)庫：標準構件庫，典型工程產(chǎn) 品的結構 圖形庫，常規(guī)材料特性數(shù)

11、據(jù)庫， 相關的國家國際標準與規(guī)范庫，以及 有關的知識庫等 。 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為大型 應用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)集成的核心，它們?yōu)?CAE軟件的功能擴充，實現(xiàn)與 CAD、 CAM 軟件的連接運行奠定了基礎。 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的優(yōu)劣，對大 型 CAE軟件的運行效率影響極大。統(tǒng)計 資料表明， CAE軟件在運行中， 70左 右的時間是在進行數(shù)據(jù)交換。 目前國際上先進 CAE軟件功能 靜力和擬靜力的線性與非線性分析 線性與非線性動力分析 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析 電磁場和電流分析 流體計算 聲場與波的傳波計算， 。 靜力和擬靜力的線性與非線性分析 各種單一和復雜組合結構的彈性、 彈塑性、塑性、蠕變、膨脹、

12、幾何大變 形、大應變、疲勞、斷裂、損傷，以及 多體彈塑性接觸在內(nèi)的變形與應力應變 分析。 線性與非線性動力分析 各種動荷載、爆炸與沖擊荷載作用下 的時程分析， 振動模態(tài)分析， 交變荷載與諧波響應分析， 隨機地震荷載及隨機振動分析， 屈曲與穩(wěn)定性分析等。 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱傳導與熱 -力耦合 分析 熱傳導分析， 對流和幅射狀態(tài)下的熱分析， 相變分析， 熱 /結構耦合分析， 。 電磁場和電流分析 靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場分析， 電流與壓電行為分析， 電磁 /結構耦合分析， .。 流體計算 常規(guī)的管內(nèi)和外場的層流與端 流分析， 熱 /流耦合分析， 流 /固耦合分析， .。 聲場與波的傳波計算 靜態(tài)和動態(tài)聲場及

13、噪聲計算， 固體、流體和空氣中波的傳播 計算， .。 伴隨著 CAE的發(fā)展， CAE 與 CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已經(jīng)形成 了一個包括研究、開發(fā)、營銷、咨詢、 培訓服務在內(nèi)的軟件產(chǎn)業(yè)，這是一個對 工程和產(chǎn)品制造業(yè)的技術創(chuàng)新有重大影 響的軟件產(chǎn)業(yè)，它已經(jīng)并會繼續(xù)對國民 經(jīng)濟的發(fā)展做出重要貢獻。 三發(fā) 展 趨 勢 功能 性能 軟件技術 用戶界面與智能化 網(wǎng)絡化與 CAE網(wǎng)上鏈鎖店 3.1 功能 可變形體與多體耦合分析， 多相多態(tài)介質(zhì)耦合分析， 多物理場耦合分析， 多尺度耦合分析， 從材料設計到工程 /產(chǎn)品設計、集仿真與 優(yōu)化于一體的 CAE系統(tǒng)， 微機電系統(tǒng)分析。 可變形體系與多體

14、耦合分析 形體變化與荷載并發(fā)狀態(tài)下可變形體系 的動力與振動分析。例如，衛(wèi)星天線、 機器人、起落架。 多體耦合狀態(tài)下的靜力、動力與振動分 析：多體接觸分析，多體耦合動力分析 與多體耦合振動分析。例如，車輛與路 軌，車輛與橋梁等。 多相多態(tài)介質(zhì)耦合與多物理場耦 合分析 復雜的工程 /產(chǎn)品大都是處在多物理場與多 相多態(tài)介質(zhì)非線性耦合狀態(tài)下工作，其行為絕非 是多個單一問題的迭加。 多物理場（力場、滲流場、溫度場、 電磁場等）非線性耦合分析， 多相與多態(tài)（流、固、氣）介質(zhì)耦合 分析。 多尺度耦合分析 從基本材料的組份與構造到復合材料，從 復合材料做成構件，再由構件裝配成工程 /產(chǎn)品， 存在著從微觀、細觀

15、到宏觀的多尺度現(xiàn)象；不 同的尺度服從于不同的物理、力學模型；通過 對宏觀模型的細分，不能導致細觀和微觀模型； 相反，通過微觀和細觀模型的無限迭加，也難 導致宏觀模型。因此，在工程 /產(chǎn)品的精細分析 中，客觀地會遇到多尺度模型的耦合問題。目 前的 CAE軟件，都是僅限于宏觀物理、力學模 型的工程 /品分析。 對于多物理場的強耦合問題、多相多態(tài)介質(zhì)耦 合問題，特別是多尺度耦合問題，目前尚沒有 成熟可靠的理論，尚處于基礎性前沿研究，它 們已經(jīng)成為國內(nèi)外科學家主攻的目標，由于其 強烈的工業(yè)背景，基礎研究的任何突破，都會 被迅速納入 CAE軟件，以支持新興工程 /工業(yè) 產(chǎn)品的技術創(chuàng)新。 從材料設計到工程

16、 /產(chǎn)品設計、集 仿真、優(yōu)化于一體的 CAE系統(tǒng) 隨著計算材料科學的發(fā)展，不遠的 將來，計算機輔助于材料設計將會納入 CAE軟件，實現(xiàn)從材料性能的預測、仿 真，到構件與整個產(chǎn)品的設計、性能預 測、系統(tǒng)仿真，形成集計算機輔助于材 料設計、制備，到工程或產(chǎn)品的設計、 仿真、優(yōu)化于一體的新一代 CAE系統(tǒng)。 微機電系統(tǒng)分析 隨著多物理場、多相、多態(tài)介質(zhì)耦合理 論與亞微米、納米科學的發(fā)展，以及微 機電系統(tǒng)開發(fā)的強烈需求，專門用于微 機電系統(tǒng)設計計算和系統(tǒng)仿真的 CAE 軟 件正在開發(fā)，不久將會問世。 3.2 性能 基于超級計算機和計算機群的并行計算 CAE系統(tǒng)， 基于網(wǎng)格計算的 CAE系統(tǒng)， 基于互聯(lián)

17、網(wǎng)的集成化與支持協(xié)同工作的 CAE系統(tǒng) 適應于超級計算機和機群并行 計算 CAE系統(tǒng) 每秒千萬億次的計算機與機群系統(tǒng)即 將誕生，適應這些大規(guī)模并行計算平臺 的新型高精度和高效率算法正迅速發(fā)展。 新一代的 CAE系統(tǒng)將能夠解算上千萬 階級方程組，能夠實現(xiàn)對復雜工程產(chǎn) 品的實時和真三維仿真。 基于網(wǎng)格計算的 CAE系統(tǒng) 互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)將千萬臺各類計算機 連接在一起， 人們正在開發(fā)將互聯(lián) 網(wǎng)上所有計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù) 庫以及連接的實驗設備統(tǒng)一和有效 使用的 網(wǎng)格計算技術 。隨著這一技 術的成熟，一定會出現(xiàn)基于網(wǎng)格計 算的 CAE系統(tǒng) 基于互聯(lián)網(wǎng)的集成化與支持協(xié) 同工作的 CAE系統(tǒng) 隨著分布式對象集成

18、技術和網(wǎng)格計算 技術的發(fā)展，大型工程和復雜產(chǎn)品開發(fā) 中實施并行工程，以及研究集團的聯(lián)合 攻關，未來的用戶將不再需要單一的 CAD、 CAE、 CAM、 CAPP、 PDM 和 ERP產(chǎn)品，它們需要基于互聯(lián)網(wǎng) (JAVA) 的、具有行業(yè)特色的、集成化與支持協(xié) 同工作的的套裝系統(tǒng)。 大型工程和復雜產(chǎn)品，例如發(fā)電廠 化工廠 飛機 輪 船及機車車輛等， 它們由數(shù)萬到數(shù)百萬個構件和數(shù)以千計 的設備組成，其設計 分析 安裝模擬 和運行過程仿真，都要涉及數(shù)個到數(shù)十 專業(yè)領域的專業(yè)技術人員。因此，基于 Internet和 Grid computing的異地 異構 系統(tǒng)下的 計算分析，實現(xiàn)對大型工程 復雜產(chǎn)品的

19、全面分析和運行仿真，將成 為 CAE的另一個重要發(fā)展方向。 3.3 軟件技術 真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實， 基于 Internet和 Grid computing的面向對 象的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及工程數(shù)據(jù)庫。 真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實 隨著 DSP芯片的發(fā)展，計算機圖形處 理能力近年有了上百倍的提高，再加上 三維圖形算法、圖形運算和參數(shù)化建模 的發(fā)展，快速真三維的虛擬現(xiàn)實技術已 經(jīng)成熟。因此 , CAE軟件的三維實體建 模，復雜的靜態(tài)、動態(tài)物理場的虛擬現(xiàn) 實技術將會有大發(fā)展。 基于 Internet和 Grid computing 的面向對象的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及 工程數(shù)據(jù)庫 高性能價格比的大容

20、量的存貯器 及其高速存取技術在迅速發(fā)展， PC機的 硬盤容量很快將由 GB達到 TB量級。 用戶將要求把更多的計算模型、設 計方案、標準規(guī)范和知識性信息納入 CAE軟件的數(shù)據(jù)庫中。 Internet和 Grid computing環(huán)境下的數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)，必須能夠管理多用戶并發(fā) 存取的 、 與時間空間相關的 、 大量 非結構化的 、各 種類型的數(shù)據(jù)。 高性能的 、 基于網(wǎng)格環(huán)境的 、 面向對象 的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將會出現(xiàn)在新一 代的 CAE軟件中。 Internet和 Grid computing環(huán)境下的數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)應該具有關系型數(shù)據(jù)庫，面 向對象數(shù)據(jù)庫及其管理技術的優(yōu)點，支 持抽象數(shù)據(jù)

21、模型定義，分布式 、異構、 虛擬計算環(huán)境與多用戶并發(fā) I/O狀態(tài)下的 數(shù)據(jù)管理， Internet和 Grid computing環(huán) 境下的高級存儲與查詢語言，訪問權限 與數(shù)據(jù)所有權的保護，異構數(shù)據(jù)庫的時 / 空一致性和有效性檢驗，系統(tǒng)異常狀態(tài) 下的數(shù)據(jù)一致性恢復等。 3.4 用戶界面 多媒體用戶界面 智能化用戶界面 多媒體用戶界面 計算機圖形技術正在迅猛發(fā)展，狹 義的語音輸入輸出已成現(xiàn)實，計算機 視覺系統(tǒng)已能在一定范圍內(nèi)分析體態(tài)、 眼神和手勢，隱含信息請求的數(shù)據(jù)發(fā)掘 技術也已冒泡，會聽、看、說、寫和學 習的計算機即將聞世，這些多媒體技術 一定會使未來 CAE軟件的用戶界面具有 更強的直觀、直

22、感和直覺性，給用戶帶 來極大便利 智能化用戶界面 CAE軟件是一個多學科交叉的、綜 合性的知識密集型產(chǎn)品，它由數(shù)百到數(shù) 千個算法模塊組成，其數(shù)據(jù)庫存放著眾 多的設計方案、標準構件，行業(yè)性的標 準、規(guī)范，以及判定設計和計算結果正 確與否的知識性規(guī)則。 怎么使用軟件？怎么判定計算結果？ 支持用戶有效地使用這些軟件的專家系 統(tǒng)，將成為用戶界面的重要組成部分。 3.5 集成化、 專業(yè)化與屬地化 目前多數(shù)還是 單一、孤島式的 CAD、 CAE、 CAM、 PDM產(chǎn)品， 集成化程 度不高。 隨著實施并行工程，加入 WTO和互 聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，科研人員和中、小企 業(yè)用戶將不再需要單一的 CAD、 CAE、 CA

23、M、 PDM產(chǎn)品。他們需要 具有專業(yè)特色的、集成化的套裝支 持系統(tǒng)。 滿足專業(yè)化屬地用戶的需求，即國 外 CAD CAE CAM PDM 軟件 中國化，以及中國出口軟件的屬地 化，應該成為 CAE軟件開發(fā)商的經(jīng) 營之道。 實現(xiàn)初級集成化的若干途徑 直接的橋式軟部件連接 共享數(shù)據(jù)庫橋式軟部件連接 建立基于 Internet的、可支持二 次開發(fā)的智能化信息交換平臺。 力元智能信息交換協(xié)作平臺 信息傳輸與交換平臺， 企業(yè)應用集成平臺， 協(xié)同工作平臺。 （端口池，數(shù)據(jù)傳感器） 3.6 CAE網(wǎng)上鏈鎖店 隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及， 網(wǎng)格計算的發(fā) 展， 寬帶通信技術的突破，通信、廣播 和計算機三網(wǎng)合一的步伐定會加

24、快，一 個完全信息化的、充滿著虛擬色彩，而 又實實在在的新時代即將到來，它將改 變現(xiàn)代人的工作、學習、交往和娛樂方 式，實現(xiàn)處處可以學習，處處可以工作。 立足于全社會的網(wǎng)絡環(huán)境，建立專業(yè)化 的 CAE網(wǎng)上鏈鎖店，實施網(wǎng)上經(jīng)銷、網(wǎng) 上培訓與咨詢服務，以及計算量大的工 程計算網(wǎng)上運行，使用戶能夠進行多專 業(yè) 異地 協(xié)同 并行地設計與分析， 實施工程與產(chǎn)品創(chuàng)新，必將成為 CAE軟 件業(yè)的一個發(fā)展方向 這種網(wǎng)上鏈鎖店能否生存，關鍵在 于能否建立一個自適應于當前社會環(huán)境 的、實現(xiàn)知識產(chǎn)權保護和合理付費的機 制，這種機制應該保證軟件與數(shù)據(jù)產(chǎn)權 的擁有者，能夠依據(jù)合同條款從使用者 那里獲得合理的收益，并給用戶提供一 個方便地調(diào)用軟件和訪問數(shù)據(jù)，以及方 便合理的付費途徑。 這不是一個技術性難題，而是一個 涉及到觀念和法律的問題； 社會需求和潛在的巨額利潤，會刺 激有志之士，摸著石頭過河，一步步地 解決這個難題，使 CAE網(wǎng)上鏈鎖店走上 興旺發(fā)達之路。 ANSYS公司已經(jīng)和 HP、 EAI合作創(chuàng) 建了一種針對 ANSYS的網(wǎng)上經(jīng)銷服務體 系。 工程和產(chǎn)品創(chuàng)新為 CAE 發(fā)展 提供了強大的動力，信息技術的飛 速發(fā)展為 CAE技術的提升提供了技 術基礎。 CAE技術將會隨著工程科 學的迅速發(fā)展而有一個更為輝煌燦 爛的明天。