计算机辅助工程( CAE)技术的应用及其展望
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摘要：目前，CAE主要应用于汽车、航空、电子、土木工程、通用机械、兵器、核能、石油和化工等行业。该文主要论述了CAE的发展过程，介绍了CAE软件的种类和应用情况、CAE算法及CAE 技术的未来发展。
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8105-02
1 CAE技术的历史沿革
CAE（计算机辅助工程）是以有限元法、有限差分法及有限体积法为数学基础发展起来的。CAE技术的发展过程大体包括四个阶段：第一阶段要追溯到二十世纪的五六十年代， 国际上在这一阶段开始了这一领域的各类研究，其中在研究基础的机构分析程序及功能强大的有限元分析程序上卓有成效。第二阶段大致始于二十世纪七十年代，美国的SAP5在国内的成功引进移植后，国内掀起了研究通用有限元分析系统浪潮，如NASTRAN、ANSYS等。其发展的第三个阶段是大约是在二十世纪八十年代，这期间是CAE技术的蓬勃发展阶段，这期间形成了商品化的通用和专用CAE软件，它们都是采用结构化软件设计方法、用FORTRAN语言和数据文件管理技术开发的机构化软件。第四阶段从上世纪九十年代中期至今，随着计算机网络技术及微机生产工艺的飞速发展，为了满足市场需求，CAE技术不但对软件的各部分功能尤其是前端界面和后台处理功能做了较完善的补充，大豆采用了面向对象的软件技术和C++语言而且充分考虑到与其他高速发展的同类学科技术做融合使其可以在各类操作系统上发挥相同功用。
2 常用CAE 软件简介
2.1 MSC软件 [2]
MSC是全球最大的CAE软件供应商，总部位于美国加利福尼亚州，为达到各类工程应用行业的需求开创了众多科技。MSC在23个国家拥有子公司，在世界MACE市场中占几40%左右比例，包含了工程应用仿真的众多领域，在汽车、电子、航空航天、造船领域处于绝对的领导者地位。主要产品有 MSC. SUPERFORGE；MSC. FAT IGUE等
2.2 ANSYS 分析软件
ANSYS 是美国宾夕法尼亚州的ANSYS公司致力于开发有限元分析的主要产品，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用。
2.3 ADAMS
美国 MDI （ Mechanical Dynamics Inc. ） 公司开发的ADAMS（ Automat ic Dynamic Analysis of Me -chanical System）软件，是世界上最具权威性的使用范围最广的机械系统动力学分析软件。
2.4 Cosmos 系列
Cosmos是基于PC+WINDOWS上的软件，借由举世瞩目的FFE算法，工程师可以特别快速准确地完成对较大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。其主要产品有： Cosmos/Works；Cosmos/ Mot ion；Cosmos/ Floworks：等。
3 CAE算法
CAE强大的分析能力与快速发展的各类计算机算法是紧密相关的。新算法的不断引入，推动计算机辅助分析向更广更深的层次发展。图1表示通用CAE的算法与软件模块。总体上看，采用的算法分为基于几何模型的算法、基于数理模型的算法以及基于知识的算法[3]。（1）基于几何模型的CAE算法能够从CAD提供的各种几何参数获取信息从而进行直接处理。（2）基于数理模型的方法利用数值仿真，结合产品的几何模型，运用离散化，进行产品稳、瞬态分析及流体计算，预测及模拟产品的主要功能。（3）基于知识的方法，也叫做人工智能方法[4]，运用的主要方法是知识表达和知识处理。
4 CAE 技术的发展趋势
随着网络技术、智能化、人性化和CAE软件技术的进步，CAE将得到极大的发展。新时代已经来临、在这信息化和网络化的时代， CAE 技术必将得到长足的发展，尤其表现在以下几点：
1） CAE软件延续着着重朝各种专业应用方面的发展态势。随着计算机图形学等各类技术的迅速壮大，更多的CAE用户开始往快速真三维的虚拟现实技术投入大量的人力物力，CAE 软件的庞大的处理功能必然会在现在还不完善的三维建模及其他各类领域有所应用。
2） CAE功能得到扩充。将实现基于Internet/Intranet的CAD、CAE及CAM系统集成到一起会实现多结构、多物理场、多尺度耦合分析从而达到系统的设计计算及仿真等功用。而ISO推出的新的国际标准STEP也必将加速CAD、CAE和CAM系统集成化的发展。
3）CAE 前端界面将达到多媒体、网络化等多种效果的统一：随着计算机网络技术、无线传感器网络技术及计算机图形学等的高速发展，这些新兴技术及学科建设的进步必将使将来的未来的CAE软件的前端拥有友好及更强的视觉、感官效果。
4）专业化的CAE网上连锁店。随着互联网的普及，网格计算的发展及三网合一的步伐加快，一个完全信息化的、充满着虚拟色彩，而又实实在在的新时代即将到来。立足于全社会的网络环境，构建专业化的CAE网上连锁店，使用户能够进行多专业、异地、协同、并行地设计与分析实施工程与产品创新，必将成为CAE软件业的一个发展方向。
5 结束语
21世纪是一个信息时代，计算机辅助工程技术在欧美国家已经到达了一个成熟并日臻完善的地步，并且其技术不光是纸上谈兵，在专业应用方面也已成效明显。但在我国，由于起步晚等各种原因造成CAE技术的发展缓慢致使其还处于一个有待开发的状态，从而应用范围比较狭窄，因此，我国应该加大在CAE技术发展及其应用的研发上投入的人力物力财力，争取早日与发达国家水平持平。
参考文献：
[1] 庄茁. ABAQUS/ St andard 有限元软件入门指南[M].北京： 清华大学出版社， 1998.
[2] 陈举华. 机械零部件计算机辅助设计[M] .北京： 机械工业出版社， 1996.
[3] 王珉. 抗疲劳制造原理与技术[M].南京： 江苏科学技术出版社， 1999.
[4] Wang Z. A reliable Fatigue prediction model for bolts under axial loading[A] . TSSAT Proceedings of the 5th international conference on reliability and quality in design[C] . Las Vegas ： TSSAT ，1999. 137 - 141.
[5] Riha D S . Capabilities and applications of probabilistic methods in finite element analysis[A]. TSSAT Proceedings of the 5th international conference on reliability and quality in design[C] . Las Vegas ： TSSAT ，1999. 16-21.