計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)簡(jiǎn)介

李 鴻

[摘要]本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的發(fā)展?fàn)顩r,對(duì)我國(guó)CAE技術(shù)發(fā)展及加入WTO后的應(yīng)對(duì)措施提出了一些看法和認(rèn)識(shí)。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)輔助工程 CAE

一、計(jì)算機(jī)輔助工程概述

一項(xiàng)工程往往是比較復(fù)雜的,在正式工程設(shè)計(jì)之前,都要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行精確的試驗(yàn)、分析和論證,并對(duì)正式施工的全過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的管理和監(jiān)測(cè)。這些工作借助計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),就是計(jì)算機(jī)輔助工程(簡(jiǎn)稱(chēng)CAE)?？梢哉f(shuō)CAE是包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)、仿真和制造在內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的綜合系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù),越來(lái)越受到科技界和工程界的重視。

計(jì)算機(jī)輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問(wèn)題為背景,建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面,CAE技術(shù)的應(yīng)用,使許多過(guò)去受條件限制無(wú)法分析的復(fù)雜問(wèn)題,通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿(mǎn)意的解答;另一方面,計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化,使復(fù)雜的過(guò)程層次化,節(jié)省了大量的時(shí)間,避免了低水平重復(fù)的工作,使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用,同時(shí)CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛發(fā)展,技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。

二、國(guó)外CAE技術(shù)概況

CAE技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的科學(xué)研究,并普遍應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題,在解決許多復(fù)雜的工程分析方面發(fā)揮了重要作用。現(xiàn)在,國(guó)外在科學(xué)研究和工業(yè)化應(yīng)用方面,計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)已達(dá)到了較高的水平,許多大型的通用分析軟件已相當(dāng)成熟并已商品化,而且在工程上也已達(dá)到了實(shí)用化階段。僅以有限元分析軟件為例,國(guó)際上不少先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件的開(kāi)發(fā)已達(dá)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(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程分析以及線性和非線性分析等多種強(qiáng)大的功能,都通過(guò)了各種不同行業(yè)的大量實(shí)際算例的反復(fù)驗(yàn)證,其解決復(fù)雜問(wèn)題的能力和效率,已得到學(xué)術(shù)界和工程界的公認(rèn)。在北美、歐洲和亞洲一些國(guó)家的機(jī)械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車(chē)、電氣工業(yè)設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言,西方發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段。通過(guò)CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合,使企業(yè)能對(duì)現(xiàn)代市場(chǎng)產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等做出迅速反應(yīng),增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在許多行業(yè)中,計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流程中不可逾越的一種強(qiáng)制性的工藝規(guī)范加以實(shí)施。以國(guó)外某大汽車(chē)公司為例,絕大多數(shù)的汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)都必須經(jīng)過(guò)多方面的計(jì)算機(jī)仿真分析,否則根本通不過(guò)設(shè)計(jì)審查,更談不上試制和投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段,在生產(chǎn)實(shí)踐中也已作為必備工具普遍應(yīng)用。

三、我國(guó)CAE技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高,計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)也在我國(guó)蓬勃發(fā)展起來(lái)。科技界和政府的主管部門(mén)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)對(duì)提高我國(guó)科技水平,增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力乃至整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。通過(guò)多年的不懈努力,我國(guó)的CAE技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績(jī),建立了自己的計(jì)算機(jī)輔助工程科技隊(duì)伍,在許多領(lǐng)域開(kāi)展了CAE技術(shù)的研究和應(yīng)用。但目前我們的CAE技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定的差距,研究和應(yīng)用的水平還不能說(shuō)很高,特別是在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型通用分析軟件的開(kāi)發(fā)和CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用方面,這種差距還相當(dāng)明顯。

我國(guó)的計(jì)算機(jī)分析軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),嚴(yán)重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。在CAE分析軟件開(kāi)發(fā)方面,我國(guó)目前至少落后于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家十年。計(jì)算機(jī)軟件是高技術(shù)和高附加值的商品,目前的國(guó)際市場(chǎng)為美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷,我國(guó)自己民族的軟件工業(yè)僅占有很少量的市場(chǎng)份額。提高我國(guó)工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平,將CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)與制造過(guò)程還是一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的工作。

四、CAE技術(shù)展望及對(duì)策

新的世紀(jì)已經(jīng)來(lái)臨,在這信息化和網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAE軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步,計(jì)算機(jī)輔助工程得了到極大的發(fā)展。

硬件方面,計(jì)算機(jī)將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進(jìn)步?？梢灶A(yù)見(jiàn),不久的將來(lái)PC機(jī)將在運(yùn)行速度和存儲(chǔ)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(jī)上運(yùn)行。這將為CAE技術(shù)的普及創(chuàng)造更好的硬件基礎(chǔ),促進(jìn)CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

軟件方面,現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真分析軟件將得到進(jìn)一步的完善。大型通用分析軟件的功能將愈來(lái)愈強(qiáng)大,界面也將愈來(lái)愈友好,涵蓋的工程領(lǐng)域?qū)⒂鷣?lái)愈普遍。同時(shí),適用于某些專(zhuān)門(mén)用途的專(zhuān)用分析軟件也將受到重視并被逐步開(kāi)發(fā)完善起來(lái),各行各業(yè)都將會(huì)具有適于各自領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)仿真分析軟件。

網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)也將對(duì)CAE技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)不可估量的促進(jìn)作用。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞,不僅對(duì)某些技術(shù)難題,甚至對(duì)于全面的CAE分析過(guò)程都有可能采用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)用戶(hù)在其分析過(guò)程中遇到的困難提供技術(shù)支持,這必將在CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。

中國(guó)加入WTO后,我國(guó)的產(chǎn)品必須與國(guó)際接軌,面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)。工業(yè)界必須對(duì)市場(chǎng)需求做出迅速反應(yīng),縮短工程設(shè)計(jì)周期,優(yōu)化產(chǎn)品和節(jié)省造價(jià),保證產(chǎn)品質(zhì)量,才能贏得市場(chǎng)。為此,在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中應(yīng)用CAD、CAE和CAM等技術(shù)是最好的選擇,這已經(jīng)成為國(guó)際上科技界和工業(yè)界的共識(shí)。CAE技術(shù)水平的提高必將對(duì)增強(qiáng)我國(guó)工業(yè)界的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)揮重要作用。我國(guó)科技界、教育界和工業(yè)界應(yīng)該攜起手來(lái)為CAE技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)、人才培養(yǎng)和工業(yè)化應(yīng)用而共同努力。