摘 要：制造業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，CAE仿真技術(shù)則是制造技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合的橋梁。CAE仿真技術(shù)是21世紀(jì)制造業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵性支撐技術(shù)。

關(guān)鍵詞：CAE；制造業(yè)；發(fā)展

1 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)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(qiáng)大和完善。計(jì)算機(jī)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(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams等）、CAM類（如Mastercam等）等。其中CAE技術(shù)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(jì)算機(jī)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(jì)60-70年代，有限元技術(shù)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行發(fā)展，以解決航空航天技術(shù)中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)實(shí)驗(yàn)和分析問(wèn)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(kāi)發(fā)。

1963年MSC公司成立，開(kāi)發(fā)稱之為SADSAM （Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）結(jié)構(gòu)分析軟件。1965年MSC參與美國(guó)國(guó)家航空及宇航局（NASA）發(fā)起的計(jì)算結(jié)構(gòu)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(gè)動(dòng)力學(xué)測(cè)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(lái)重組后改為稱ANSYS公司，開(kāi)發(fā)了ANSYS軟件。

20世紀(jì)70-80年代是CAE技術(shù)的蓬勃發(fā)展時(shí)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(jí)工程分析通用有限元程序的MARC公司；致力于機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)發(fā)的MDI公司；針對(duì)大結(jié)構(gòu)、流固耦合、熱及噪聲分析的CSAR公司；致力于結(jié)構(gòu)、流體及流固耦合分析的ADIND公司等等。

在這個(gè)時(shí)期，有限元分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析和場(chǎng)分析領(lǐng)域獲得了很大的成功。從力學(xué)模型開(kāi)始拓展到各類物理場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲波場(chǎng)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(dǎo)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(chǎng)的分析向幾個(gè)場(chǎng)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(kāi)發(fā)主要集中在計(jì)算精度、速度及硬件平臺(tái)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(gè)領(lǐng)域。從軟件結(jié)構(gòu)和技術(shù)來(lái)說(shuō)，這些CAE軟件基本上是用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)方法，采用FORTRAN語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)化軟件，其數(shù)據(jù)管理技術(shù)尚存在一定的缺陷，運(yùn)行環(huán)境僅限于當(dāng)時(shí)的大型計(jì)算機(jī)和高檔工作站。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，CAE開(kāi)發(fā)商為滿足市場(chǎng)需求和適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前后處理能力進(jìn)行了大幅擴(kuò)充，對(duì)軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部分模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進(jìn)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(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面基本滿足了用戶的需要，它們可以在超級(jí)并行機(jī)、分布式微機(jī)群、大、中、小、微各類計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。

3 CAE在制造業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，CAE軟件在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)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(yīng)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(guó)外是有限元軟件的主要應(yīng)用行業(yè)，其所涉及的專業(yè)領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，并且應(yīng)用歷史長(zhǎng)、應(yīng)用成熟度高。

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)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(guó)的汽車廠商中都有著廣泛的應(yīng)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(jié)合，以便用戶更快、更方便地解算問(wèn)題。

近年來(lái)，分析軟件正朝著多物理場(chǎng)的方向發(fā)展。例如，ANSYS公司收購(gòu)CFX流體軟件，并加強(qiáng)與EMSS公司的合作，不斷加強(qiáng)其多物理場(chǎng)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(chǎng)問(wèn)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(yīng)用，比如MathWorks公司在數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的FEMLAB，又如國(guó)內(nèi)飛箭公司針對(duì)微分方程的FEPG系統(tǒng)。

此外，專用有限元軟件受其應(yīng)用領(lǐng)域的限制，只能在各自的行業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件，可進(jìn)行各種金屬材料澆鑄、流動(dòng)性、固化、壓力、應(yīng)力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據(jù)計(jì)算結(jié)果更改設(shè)計(jì)，調(diào)整帽口的位置和數(shù)量，進(jìn)而提高鑄造質(zhì)量。法國(guó)ESI公司的ProCAST，軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領(lǐng)域應(yīng)用比較多的Deform系統(tǒng)，也得到了國(guó)內(nèi)很多企業(yè)的認(rèn)可。

在板材成型行業(yè)里，有AUTOFORM系列軟件，該軟件單元架構(gòu)基于膜單元形式，因此其運(yùn)算速度在同行業(yè)內(nèi)相對(duì)較快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流動(dòng)性分析可直觀地預(yù)測(cè)出沖壓件厚度及應(yīng)力分布、開(kāi)裂和皺褶的形成等。另外，來(lái)自ETA公司的DYNAFORM可以預(yù)測(cè)成形過(guò)程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈，評(píng)估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。由于這一類分析工作與模具設(shè)計(jì)有著非常大的關(guān)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(shè)計(jì)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(yīng)用中，經(jīng)常要對(duì)整車進(jìn)行機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真，在這一領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來(lái)進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真。另外在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的還有美國(guó)ETA公司的VPG（Virtual Proving Ground）虛擬試驗(yàn)場(chǎng)。

從總體上講，CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是變量化、智能化、三維化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在制造業(yè)中應(yīng)用CAE技術(shù)最直接的效果是縮短研發(fā)時(shí)間和成本，使設(shè)計(jì)人員通過(guò)現(xiàn)有的知識(shí)對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程作出可靠的預(yù)測(cè)，大大促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、過(guò)程設(shè)計(jì)、過(guò)程運(yùn)行，甚至企業(yè)管理水平的提高。

作者簡(jiǎn)介

姜蘭蘭（1978—），女，山東威海市人，碩士，現(xiàn)就職于山東東營(yíng)職業(yè)學(xué)院，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化方面的教學(xué)、研究工作。