計算機輔助工程(CAE)的現狀和未來03-12課件

2023/7/26計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來崔俊芝中國工程院院士本報告受到國家自然科學基金重點項目（19932030）和國家重點基礎研究專項經費資助2023/7/26摘要計算機輔助工程（CAE）是一種迅速發(fā)展的信息技術，是實現重大工程和工業(yè)產品的計算分析、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技術及其軟件的現狀，并展望最近十年的發(fā)展趨勢。2023/7/26一．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)現設計缺隕，改進和優(yōu)化設計方案，證實未來工程/產品的可用性與可靠性。2023/7/26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/產品的創(chuàng)新，而對于工程師來說，實現創(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.2023/7/26科學家進行創(chuàng)新研究的重要手段科學計算是現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實驗手段尚不能表現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、方法和科學數據--的歸屬之一，做成軟件和數據庫，成為推動工程和社會進步的最新生產力。2023/7/26

CAE軟件是迅速發(fā)展中的計算力學、計算數學、相關的工程科學、工程管理學與現代計算機科學和技術相結合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品。2023/7/26

CAE軟件分類針對特定類型的工程/產品所開發(fā)的用于產品性能分析、預測和優(yōu)化計算的軟件，稱為專用CAE軟件?？梢詫Χ喾N類型的工程/產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。2023/7/26CAE技術已經成熟，CAE軟件的可用性、可靠性和計算效率問題已經基本解決。CAE與CAD/CAM／CAPP／PDM/ERP軟件一起，已經成為企業(yè)家和工程師們實現工程/產品創(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。2023/7/26

CAE與CAD／CAM／CAPP／PDM／ERP一起，已經成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的重要技術，它們已經在提高工程/產品的設計質量，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，成為實現工程/產品創(chuàng)新的支撐技術。2023/7/26發(fā)展趨勢擴充CAE功能，實現多結構耦合分析，實現多物理場耦合分析，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?；贗nternet/Intranet=>GridComputing的、CAD／CAE／CAM/CAPP／PDM/ERP的集成化、網絡化、智能化。2023/7/26二．現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。2023/7/26

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。國內的CAE軟件主要是JIFEX,FEM,FEPS,…等。

2023/7/26它們都是采用結構化軟件設計方法、用FORTRAN語言和數據文件管理技術，開發(fā)的結構化軟件。2023/7/26

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；對數據管理和圖形部份，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。2023/7/26

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。2023/7/26通用CAE的算法與軟件模塊2023/7/26前處理三維實體建模與參數化建模，構件的布爾運算，有限元自動剖分與節(jié)點自動編號，節(jié)點參數自動生成，荷載與材料數據輸入與公式化導入，節(jié)點荷載自動生成，有限元模型信息自動生成,...。2023/7/26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，單元內物理場計算等,...。2023/7/26有限元分析子系統(tǒng)

根據工程問題的物理、力學和數學特征，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),…。2023/7/26

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。2023/7/26

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。2023/7/26后處理有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，根據設計要求對工程/產品按工程規(guī)范進行設計數據檢驗，優(yōu)化設計，配筋設計與繪制設計圖，….2023/7/26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)的數據處理和優(yōu)化算法模塊實現了特定行業(yè)的有效應用.2023/7/26

ANSYS軟件通過增設與CAD軟件的接口模塊，實現了與Pro/Engineer，CADDS，Unigraphic，Solidedge，CADIA，Solidworks，MDT以及SolidDesigner，MicroStation等軟件的有效集成。2023/7/26用戶界面用戶界面包括交互式圖形界面，數據導入與導出宏命令,

CAE相關的GUI圖符，智能化用戶界面支持系統(tǒng)(專家系統(tǒng)）。2023/7/26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。國產的“傻瓜”型機械CAE軟件已經聞世兩年。2023/7/26數據管理系統(tǒng)與數據庫不同的CAE軟件采用的數據管理技術不同：文件管理系統(tǒng)，關系型數據庫管理系統(tǒng)，面向對象的工程數據庫管理系統(tǒng)等；數據庫：標準構件庫，典型工程／產品的結構圖形庫，常規(guī)材料特性數據庫，相關的國家／國際標準與規(guī)范庫，以及有關的知識庫等。2023/7/26數據管理系統(tǒng)和數據庫已經成為大型應用軟件實現系統(tǒng)集成的核心，它們?yōu)镃AE軟件的功能擴充，實現與CAD、CAM…軟件的連接運行奠定了基礎。數據管理系統(tǒng)和數據庫的優(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據交換。2023/7/26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，…。2023/7/26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、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的變形與應力應變分析。2023/7/26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。2023/7/26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，…。2023/7/26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，...。2023/7/26流體計算

常規(guī)的管內和外場的層流與端流分析，熱/流耦合分析，流/固耦合分析，...。2023/7/26聲場與波的傳波計算

靜態(tài)和動態(tài)聲場及噪聲計算，固體、流體和空氣中波的傳播計算，...。2023/7/26伴隨著CAE的發(fā)展，CAE與CAD/CAM/CAPP/PDM一起已經形成了一個包括研究、開發(fā)、營銷、咨詢、培訓服務在內的軟件產業(yè)，這是一個對工程和產品制造業(yè)的技術創(chuàng)新有重大影響的軟件產業(yè)，它已經并會繼續(xù)對國民經濟的發(fā)展做出重要貢獻。2023/7/26三．發(fā)展趨勢功能性能軟件技術用戶界面與智能化網絡化與CAE網上鏈鎖店2023/7/263.1功能可變形體與多體耦合分析，多相多態(tài)介質耦合分析，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。2023/7/26可變形體系與多體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。2023/7/26多相多態(tài)介質耦合與多物理場耦合分析

－－復雜的工程/產品大都是處在多物理場與多相多態(tài)介質非線性耦合狀態(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）介質耦合分析。2023/7/26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/產品，存在著從微觀、細觀到宏觀的多尺度現象；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。2023/7/26對于多物理場的強耦合問題、多相多態(tài)介質耦合問題，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，它們已經成為國內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)產品的技術創(chuàng)新。2023/7/26從材料設計到工程/產品設計、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，實現從材料性能的預測、仿真，到構件與整個產品的設計、性能預測、系統(tǒng)仿真，形成集計算機輔助于材料設計、制備，到工程或產品的設計、仿真、優(yōu)化于一體的新一代CAE系統(tǒng)。2023/7/26微機電系統(tǒng)分析隨著多物理場、多相、多態(tài)介質耦合理論與亞微米、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。2023/7/263.2性能基于超級計算機和計算機群的并行計算CAE系統(tǒng)，基于網格計算的CAE系統(tǒng)，基于互聯(lián)網的集成化與支持協(xié)同工作的CAE系統(tǒng)2023/7/26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，能夠實現對復雜工程／產品的實時和真三維仿真。2023/7/26基于網格計算的CAE系統(tǒng)

互聯(lián)網已經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)網上所有計算機硬件、軟件、數據庫以及連接的實驗設備統(tǒng)一和有效使用的網格計算技術。隨著這一技術的成熟，一定會出現基于網格計算的CAE系統(tǒng)2023/7/26基于互聯(lián)網的集成化與支持協(xié)同工作的CAE系統(tǒng)隨著分布式對象集成技術和網格計算技術的發(fā)展，大型工程和復雜產品開發(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產品，它們需要基于互聯(lián)網(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)。2023/7/26大型工程和復雜產品，例如發(fā)電廠﹑化工廠﹑飛機﹑輪船及機車車輛等，它們由數萬到數百萬個構件和數以千計的設備組成，其設計﹑分析﹑安裝模擬和運行過程仿真，都要涉及數個到數十專業(yè)領域的專業(yè)技術人員。因此，基于Internet和Gridcomputing的異地﹑異構系統(tǒng)下的計算分析，實現對大型工程／復雜產品的全面分析和運行仿真，將成為CAE的另一個重要發(fā)展方向。2023/7/263.3軟件技術真三維圖形處理與虛擬現實，基于Internet和Gridcomputing的面向對象的工程數據庫管理系統(tǒng)及工程數據庫。2023/7/26真三維圖形處理與虛擬現實隨著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、圖形運算和參數化建模的發(fā)展，快速真三維的虛擬現實技術已經成熟。因此,CAE軟件的三維實體建模，復雜的靜態(tài)、動態(tài)物理場的虛擬現實技術將會有大發(fā)展。2023/7/26基于Internet和Gridcomputing的面向對象的工程數據庫管理系統(tǒng)及工程數據庫高性能／價格比的大容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軟件的數據庫中。2023/7/26

Internet和Gridcomputing環(huán)境下的數據庫管理系統(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、各種類型的數據。高性能的、基于網格環(huán)境的、面向對象的工程數據庫管理系統(tǒng)將會出現在新一代的CAE軟件中。2023/7/26

Internet和Gridcomputing環(huán)境下的數據庫管理系統(tǒng)應該具有關系型數據庫，面向對象數據庫及其管理技術的優(yōu)點，支持抽象數據模型定義，分布式、異構、虛擬計算環(huán)境與多用戶并發(fā)I/O狀態(tài)下的數據管理，Internet和Gridcomputing環(huán)境下的高級存儲與查詢語言，訪問權限與數據所有權的保護，異構數據庫的時/空一致性和有效性檢驗，系統(tǒng)異常狀態(tài)下的數據一致性恢復等。2023/7/263.4用戶界面多媒體用戶界面智能化用戶界面2023/7/26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／輸出已成現實，計算機視覺系統(tǒng)已能在一定范圍內分析體態(tài)、眼神和手勢，隱含信息請求的數據發(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、直感和直覺性，給用戶帶來極大便利2023/7/26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品，它由數百到數千個算法模塊組成，其數據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。2023/7/263.5集成化、專業(yè)化與屬地化目前多數還是單一、孤島式的CAD、CAE、CAM、PDM產品，集成化程度不高。隨著實施并行工程，加入WTO和互聯(lián)網的發(fā)展，科研人員和中、小企業(yè)用戶將不再需要單一的CAD、CAE、CAM、PDM產品。他們需要具有專業(yè)特色的、集成化的套裝支持系統(tǒng)。2023/7/26

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)商的經營之道。2023