1.3　CAE技术应用及发展

从CAE技术20世纪60年代初诞生至今，技术的发展已经历了半个世纪，在工业界的需求的牵引和软件、硬件技术发展的推动下，CAE已经渗入到产品研发的各个环节，由辅助的验证工具转变为驱动产品创新的引擎。根据仿真对象、计算方法、物理场、应用行业等不同维度，CAE技术可以细分出很多单元技术。在过去几十年的发展过程当中，诞生了很多解决特定行业、特定问题的CAE产品和专业厂商。

CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术，其关键技术有计算机图形技术、三维实体造型、数据交换技术、工程数据管理技术、管理信息技术。工程设计项目和机械产品都是三维空间的形体。计算机图形技术是CAE系统的基础和主要组成部分。CAE系统中的各个子系统、各个功能模块都是系统有机的组成部分。各种不同的CAE系统之间为了信息交换及资源共享的目的，需建立CAE系统软件均应遵守的数据交换规范。国际上通用的标准有GKS、IGES、STEP等。CAE系统中生成的几何与拓扑数据，工程机械、工具的性能、数量、状态，原材料的性能、数量、存放地点和价格，工艺数据和施工规范等数据必须通过计算机存储、读取、处理和传送。这些数据的有效组织和管理是建造CAE系统的又一关键技术，是CAE系统集成的核心。采用数据库管理系统（DBMS）对所产生的数据进行管理是最好的技术手段。建立一个由人和计算机等组成的能进行信息收集、传输、加工、保存、维护和使用的管理信息系统，有效地利用信息控制企业活动是CAE系统具有战略意义、事关全局的一环。

作为20世纪中期兴起的技术手段，CAE技术随着计算机技术的迅猛发展，得到了飞速的发展和广泛的应用。基于CAE技术，已经在国际上形成了数百亿规模的市场，而主要的有限元厂商则包括了MSC、ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS等，其他一些基于数值仿真算法的专业分析软件则不胜枚举。

随着CAE技术的发展，国内原有的应用体系正在发生着深刻的变化。早在80年代初期，国内就已经形成了一批以高校和研究院所为重点的技术研究、开发、应用体系。早期北大袁明武老师应用的SAP，在当时国内引起了广泛的影响。在此背景下，国内的学者相继开发了多套程序，例如大连理工的JIFEX、郑州机械研究所的紫瑞、北京农机学院的分析系统以及元计算科技发展有限公司梁国平老师的FEPG。而这些软件由于各自的一些原因，虽然在国内产生了一定的影响，但都没能在企业界得到广泛的应用。随着90年代国外大型商业软件进入国门，掀起了第二次应用的浪潮。由于国内高校在CAE技术方面具备一定的研发和应用基础，因而成了应用初期阶段的主力军。

近几年来，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，CAE技术已经为广大企业所认可，第三次CAE技术的应用浪潮正在形成。值得注意的是，CAE技术不再仅仅停留在高校，而是更多地走向了企业。同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。

CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业，软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。

国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、GID公司的GID前后处理软件、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛的应用。由于有限元技术的特点，使得前处理成为了一个相对独立而又十分重要的部分。一些大型企业都采用了适应自己需求的前后处理软件。这些前后处理软件都具有良好的接口，可与众多的有限元求解软件相结合，以便用户更快、更方便地解算问题。

求解软件可以说是琳琅满目，通常的求解软件包括：MSC、ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、SciFEA、Cosmos等。这些软件都有着各自的特点，在行业内，一般将其分为线性分析软件和非线性软件，例如ANSYS、ALGOR都在线性分析方面具有自己的优势，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC则在非线性分析方面各具特点，其中ABAQUS被认为是最优秀的非线性求解软件。

分析软件正朝着多物理场的方向发展。大家可以通过业内一些公司的举动感受到这一点，例如，ANSYS公司收购CFX流体软件，并加强与EMSS公司的合作，不断加强其多物理场耦合的功能。在这里需要提到的是由于历史原因，ALGOR继承了SAP的模块化思想，在多物理场分析方面也有很好的应用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发，因此，另外还有一些软件在这方面有着良好的应用，比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB，又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。

此外，专用CAE软件受其应用领域的限制，只能在各自的行业领域得到应用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件，可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，进而提高铸造质量。又如，法国ESI公司的ProCAST，其与MAGMA是竞争关系，软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统，也得到了国内很多企业的认可。

在板材成型行业里，有AUTOFORM系列软件，该软件单元架构基于膜单元形式，因此，其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外，来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联，因此，以上这些软件都注重与CAD软件的接口，基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口，软件的使用操作也都比较方便。

另外，在汽车行业应用中，经常要对整车进行机械动力学仿真，在这一领域中，国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块专为汽车动力学仿真而设计，使用十分方便。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG，VPG（Virtual Proving Ground）虚拟试验场是ETA公司长期总结分析汽车工程经验，在LD-DANA平台上开发的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的专门应用于汽车工程的软件。VPG主要被应用于当前汽车产品开发中的重点——整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等热门问题。

另外市场上还有一些专业软件，例如，LMS公司的噪音分析软件SYSNOISE，MSC公司的疲劳分析软件MSC/Fatigue，nCode公司的Fatigue，奥地利MAGMA公司的热疲劳分析软件FEMFT等。