CAE:工程設計的計算機輔助工程-中文百科頻道

發展曆程

CAE(Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解複雜工程和産品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。CAE從60年代初在工程上開始應用到今天，已經曆了50多年的發展曆史，其理論和算法都經曆了從蓬勃發展到日趨成熟的過程，現已成為工程和産品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域）必不可少的數值計算工具，同時也是分析連續力學各類問題的一種重要手段。随着計算機技術的普及和不斷提高，CAE系統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于産品數字建模的CAE系統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具，同時也是計算機輔助4C系統（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要環節。CAE系統的核心思想是結構的離散化，即将實際結構離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的複雜問題。其基本過程是将一個形狀複雜的連續體的求解區域分解為有限的形狀簡單的子區域，即将一個連續體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；通過将連續體離散化，把求解連續體的場變量（應力、位移、壓力和溫度等）問題簡化為求解有限的單元節點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數方程組，而不是原來描述真實連續體場變量的微分方程組。求解後得到近似的數值解，其近似程度取決于所采用的單元類型、數量以及對單元的插值函數。針對這種情況，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為CAE的後處理。計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術的提出就是要把工程（生産）的各個環節有機地組織起來，其關鍵就是将有關的信息集成，使其産生并存在于工程（産品）的整個生命周期。因此，CAE系統是一個包括了相關人員、技術、經營管理及信息流和物流的有機集成且優化運行的複雜的系統。

随着計算機技術及應用的迅速發展，特别是大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現，使計算機圖形學（Computer Graphics，CG）、計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）與計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技術得以十分迅猛的發展。CAD、CAM已經在電子、造船、航空、航天、機械、建築、汽車等各個領域中得到了廣泛的應用，成為最具有生産潛力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的經濟效益。

計算機技術的迅速發展還推動了現代企業管理的發展，企業管理借助于管理信息系統的支持與幫助，利用信息控制國民經濟部門或企業的活動，做出科學的決策或調度，從而提高管理水平與效益。企業生産經營活動的各個環節，從工程的立項、簽約、設計、施工（生産），一直到交工（交貨），是一個連續的過程，有機的整體。

近些年來，随着市場一體化和經濟全球化的發展，汽車工業已經成為國民經濟支柱，由于其市場競争日益激烈，汽車更新換代的速度也越來越快。汽車覆蓋件在汽車中應用數量多、模具設計複雜、設計制造周期長，成為了制約新車型研發的瓶頸因素。傳統的汽車覆蓋件模具設計周期長、對經驗要求高，導緻了效率低、投資高、風險大的缺點，難以滿足新形勢的要求。因此，如何提高汽車覆蓋件模具設計的效率，降低生産周期成為了一個熱點問題。而采用計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)技術對汽車覆蓋件的工藝進行分析，可以有效的預測成形過程中的各種缺陷，對保證覆蓋件成形質量、減少材料消耗、降低制造成本、縮短産品開發周期具有重要的意義。

基本概念

從廣義上說，計算機輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和制造業信息化的所有方面，但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和産品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀态和運行行為進行模拟，及早發現設計缺陷，并證實未來工程、産品功能和性能的可用性和可靠性。這裡主要是指CAE軟件。

CAE軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或産品所開發的用于産品性能分析、預測和優化的軟件，稱之為專用CAE軟件；可以對多種類型的工程和産品的物理、力學性能進行分析、模拟和預測、評價和優化，以實現産品技術創新的軟件，稱之為通用CAE軟件。CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis）軟件。

有限元方法的基本思想是将結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示複雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然後根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，隻要改變單元的數目，就可以使解的精确度改變，得到與真實情況無限接近的解。

基于有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化。根據經驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數據輸入，50%～55%用于分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間隻占5%左右。

采用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為：CAE的後處理。針對不同的應用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、裝置(整機)乃至生産線、工廠的運動和運行狀态。

CAD/CAM/CAE三者中，前兩者概念較直觀，CAE概念則是發展的，涵蓋範圍廣，比較靈活。當前，CAE已由數值計算發展到仿真，并向CAD/CAM全面融合的虛拟現實拓展。随着有限元技術的成熟以及神經網絡、遺傳算法等智能算法的引入，計算機輔助工程分析不僅服務于詳細設計，而且支持總體方案設計。基于産品研發過程，對CAE本身進行了分析，全面闡述了CAE的目标、物理内容、算法，說明了有限元/人工智能在方案設計中的應用。對優化技術的發展曆程進行了回顧，并展望了未來CAE的發展動向及若幹重要問題。

基本結構

分析步驟

應用CAE軟件對工程或産品進行性能分析和模拟時，一般要經曆以下三個過程：

前處理：給實體建模與參數化建模，構件的布爾運算，單元自動剖分，節點自動編号與節點參數自動生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。

有限元分析：有限單元庫，材料庫及相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特征，分解成若幹個子問題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模态分析子系統、熱分析子系統等。

後處理：根據工程或産品模型與設計要求，對有限元分析結果進行用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。

結構與功能

CAE軟件的基本結構其中包含以下模塊：

前處理模塊---給實體建模與參數化建模，構件的布爾運算，單元自動剖分，節點自動編号與節點參數自動生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。

有限元分析模塊---有限單元庫，材料庫及相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特征，分解成若幹個子問題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模态分析子系統、熱分析子系統等。

後處理模塊---有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或産品設計要求的數據檢驗與工程規範校核，設計優化與模型修改等。

用戶界面模塊、數據管理系統與數據庫、專家系統、知識庫。

CAE軟件對工程和産品的分析、模拟能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其CAE軟件對工程或産品的分析、仿真能力越強。

一個CAE軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。

前後處理是近十多年發展最快的CAE軟件成分，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業化、屬地化，并實現CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關鍵性軟件成分。它們是通過增設CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等軟件的接口數據模塊，實現了CAD/CAE的有效集成。

CAE通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。有限元分析可完成力學分析（線性、非線性、靜态、動态）；場分析（熱場、電場、磁場等）；頻率響應和結構優化等。機構分析能完成機構内零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構的運動模拟及機構參數的優化。

CAE的作用，a）增加設計功能，借助計算機分析計算，确保産品設計的合理性，減少設計成本；

b）縮短設計和分析的循環周期；c)CAE分析起到的“虛拟樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程，虛拟樣機作用能預測産品在整個生命周期内的可靠性。

d）采用優化設計，找出産品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本。

e）在産品制造或工程施工前預先發現潛在的問題。

f）模拟各種試驗方案，減少試驗時間和經費。

g）進行機械事故分析，查找事故原因。

發展曆史

國際上早20世紀在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局（NASA）在1965年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統公司開發的NASTRAN有限元分析系統。此後有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的産品。

1979年美國的SAP5線性結構靜、動力分析程序向國内引進移植成功，掀起了應用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。在國内開發比較成功并擁有較多用戶（100家以上）的有限元分析系統有大連理工大學工程力學系的FIFEX95、北京大學力學與科學工程系的SAP84、中國農機科學研究院的MAS5.0和杭州自動化技術研究院的MFEP4.0等。

衡量CAE技術水平的重要标志之一是分析軟件的開發和應用。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經引進中國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業得到了應用。中國的計算機分析軟件開發是一個薄弱環節，嚴重地制約了CAE技術的發展。僅以有限元計算分析軟件為例，世界年市場份額達5億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，中國自己的CAE軟件工業還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。

20世紀60-70年代，有限元技術主要針對結構分析進行發展，以解決航空航天技術中的結構強度、剛度以及模态實驗和分析問題。世界上CAE的三大公司先後成立，緻力于大型商用CAE軟件的研究與開發。

1963年MSC公司成立，開發稱之為SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）結構分析軟件。1965年MSC參與美國國家航空及宇航局（NASA）發起的計算結構分析方法研究，其程序SADSAM更名為MSC/Nastran;

1967年Structral Dynamics Research Corporation（SDRC）公司成立，并于1968年發布世界上第一個動力學測試及模态分析軟件包，1971年推出商用有限元分析軟件Supertab（後并入I-DEAS）。

1970年Swanson Analysis System，Inc.（SASI）公司成立，後來重組後改為稱ANSYS公司，開發了ANSYS軟件。

20世紀70-80年代是CAE技術的蓬勃發展時期，這期間許多CAE軟件公司相繼成立。如緻力于發展用于高級工程分析通用有限元程序的MARC公司；緻力于機械系統仿真軟件開發的MDI公司；針對大結構、流固耦合、熱及噪聲分析的CSAR公司；緻力于結構、流體及流固耦合分析的ADIND公司等等。

在這個時期，有限元分析技術在結構分析和場分析領域獲得了很大的成功。從力學模型開始拓展到各類物理場（如溫度場、電磁場、聲波場等）的分析，從線性分析向非線性分析（如材料為非線性、幾何大變形導緻的非線性、接觸行為引起的邊界條件非線性等）發展，從單一場的分析向幾個場的耦合分析發展。出現了許多著名的分析軟件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。軟件的開發主要集中在計算精度、速度及硬件平台的匹配，使用者多數為專家且集中在航空、航天、軍事等幾個領域。從軟件結構和技術來說，這些CAE軟件基本上是用結構化軟件設計方法，采用FORTRAN語言開發的結構化軟件，其數據管理技術尚存在一定的缺陷，運行環境僅限于當時的大型計算機和高檔工作站。

進入20世紀90年代以來，CAE開發商為滿足市場需求和适應計算機硬、軟件技術的迅速發展，對軟件的功能、性能，特别是用戶界面和前後處理能力進行了大幅擴充，對軟件的内部結構和部分模塊，特别是數據管理和圖形處理部分，進行了重大改造，使得CAE軟件在功能、性能、可用性和可靠性以及對運行環境的适應性方面基本滿足了用戶的需要，它們可以在超級并行機、分布式微機群、大、中、小、微各類計算機和各種操作系統平台上運行。

功能用途

CAE技術是将工程的各個環節有機地組織起來，應用計算機技術、現代管理技術、信息科學技術等科學技術的成功結合，實現全過程的科學化、信息化管理，以取得良好的經濟效益和優良的工程質量。

CAE的功能結構應包含計算機輔助工程計劃管理、計算機輔助工程設計、計算機輔助工程施工管理及工程文檔管理等項。

計算機輔助工程計劃管理包括工程項目的可行性論證、标書、成本與報價、工程計劃進度、各子項工程計劃與進度、預決算報告等。計算機輔助工程設計包括工程的設計指标、工程設計的有關參數及CAD系統，在CAD系統中應強調設計人員的主導作用，同時注重計算機所提供的支撐與幫助，以在最短的時間内拿出最優的設計方案來。同時，還要注意設計數據的提取和保存，以使其有效地服務于工程的整個生命周期。

計算機輔助施工管理包括工程進度、工程質量、施工安全、施工現場、施工人員、物料供給等方面的管理、控制和調度。它涉及到工程管理學、運籌學、統計學、質量控制等科學技術。當然，管理人員的自身素質是管理工作中的決定因素，必須十分重視管理人員在管理環節中的作用。

CAE技術可廣泛地應用于國民經濟的許多領域，像各種工業建設項目，例如工廠的建設，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設；像大型工程項目，例如電站、水壩、水庫、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建築等。它還可應用于企業生産過程之中，及其它的企業經營、管理控制過程中，例如工廠的生産過程、公司的商業活動等。

關鍵技術

CAE技術是一門涉及許多領域的多學科綜合技術，其關鍵技術有以下幾個方面。

⑴計算機圖形技術

CAE系統中表達信息的主要形式是圖形，特别是工程圖。在CAE運行的過程中，用戶與計算機之間的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是計算機圖形。所以，計算機圖形技術是CAE系統的基礎和主要組成部分。

⑵三維實體造型

工程設計項目和機械産品都是三維空間的形體。在設計過程中，設計人員構思形成的也是三維形體。CAE技術中的三維實體造型就是在計算機内建立三維形體的幾何模型，記錄下該形體的點、棱邊、面的幾何形狀及尺寸，以及各點、邊、面間的連接關系。

⑶數據交換技術

CAE系統中的各個子系統，個個功能模塊都是系統有機的組成部分，它們都應有統一的幾類數據表示格式，是不同的子系統間、不同模塊間的數據交換順利進行，充分發揮應用軟件的效益，而且應具有較強的系統可擴展性和軟件的可再用性，以提高CAE系統的生産率。各種不同的CAE系統之間為了信息交換及資源共享的目的，也應建立CAE系統軟件均應遵守的數據交換規範。國際上通用的标準有GKS、IGES、PDES、STEP等。

⑷工程數據管理技術

CAE系統中生成的幾何與拓撲數據，工程機械，工具的性能、數量、狀态，原材料的性能、數量、存放地點和價格，工藝數據和施工規範等數據必須通過計算機存儲、讀取、處理和傳送。這些數據的有效組織和管理是建造CAE系統的又一關鍵技術，是CAE系統集成的核心。采用數據庫管理系統（DBMS）對所産生的數據進行管理是最好的技術手段。

⑸管理信息系統

工程管理的成敗，取決于能否做出有效的決策。一定的管理方法和管理手段是一定社會生産力發展水平的産物。市場經濟環境中企業的競争不僅是人才與技術的競争，而且是管理水平、經營方針的競争，是管理決策的競争。決策的依據和出發點取決于信息的質量。所以，建立一個由人和計算機等組成的能進行信息收集、傳輸、加工、保存、維護和使用的管理信息系統，有效地利用信息控制企業活動是CAE系統具有戰略意義、事關全局的一環。工程的整個過程歸根結底是管理過程，工程的質量與效益在很大程度上取決于管理。

CAE軟件

軟件介紹

CAE軟件按研究對象分為：靜态結構分析，動态分析；按研究問題分為線性問題，非線性問題；按物理場分：結構（固體）、流體、電磁等。

主要有：Hyperworks，主要做前處理（分單元加載荷加約束）和後處理（看輸出結果和仿真），I-DEAS，同時也做CAD，SolidWorks Simulation（CAE仿真部分），SolidWorks Motion，充分利用SolidWorks的強大功能。TSV，通用前後處理軟件。

自動使用SolidWorks裝配體零部件和配合，而不必重新定義它們。

包含多種運動工具（如SolidWorks Motion、物理模拟和SolidWorks裝配體運動）的單一工作環境，提供了解決運動問題的可擴展方法。

自動傳送SolidWorks中定義的材料屬性。

方便地複制或生成算例，研究多個可能的運動模拟算例。

通過将載荷無縫的傳入SolidWorks Simulation，可以直觀顯示零部件在某個時間點或整個模拟周期内的應力和位移，将物理模型與工程條件相關聯。

使用SolidWorks配合可生成各種複合運動副，用來代表鉸鍊、螺紋副、球面副、圓柱副、平面副和萬向節副等各種條件。

在設計驅動器時使用純正向作用力來控制加速度和速度。

将常數函數、振動數據點（樣條曲線）函數和步進施力函數應用于馬達和作用力。

在機械裝置的運動範圍中切換馬達開關。壓縮并解除壓縮配合，以強制在零件上定位。

生成運動副耦合器（運動齒輪），以便實現各種類型齒輪之間的運動，從而進行動力傳送。

定義在延展時缺乏扭轉和柔性剛性的連接時使用的線性和非線性彈簧。

定義3D接觸（具有靜摩擦和動摩擦）來捕獲兩個或多個接觸零件之間的相互作用。

包括阻尼效果，以降低振動系統的振幅。使用功能強大且直觀的可視化工具來解釋結果。

生成整個模拟周期的數值數據的XY坐标圖。

在同一圖表中描繪多個XY坐标圖。

可以在運動副位置處顯示位移、速度、加速度和力矢量。

可以在模拟過程中顯示實體上任意一點的軌迹并在SolidWorks零件上直接生成參考曲線。

裝配體移動時檢查碰撞的零件。

使用SolidWorks Motion AⅥ或eDrawings®格式可捕獲物理運動并與其他人分享這些物理運動。

在任何坐标系中用數值數據生成Microsoft®Excel格式的圖表。

使用另一坐标系（零件）導出圖表。

SolidWorks Simulation輕松快速地比較備選設計方案

研究零件和裝配體的應力、應變和位移。

使用參數定義分析輸入值，例如材料、載荷和幾何尺寸。

使用自動化的設計情形工具運行和比較多種設計方案。

使用簡單的拖放功能生成并複制分析研究算例。

借助近200種材料的内嵌庫，或使用自己的材料自定義該庫。研究不同裝配體零部件之間的交互作用。

自動為大型裝配體和多實體零件生成網格。

接合具有間隙或縫隙的零部件，無需修改用于分析的裝配體。

模拟裝配體連接（如銷釘、彈簧、螺栓、軸承和點焊）。

研究因壓入配合（過盈配合）而産生的應力。

識别在操作過程中可能互相接觸的零件的接觸力、應力和摩擦力模拟現實運行環境。

應用力、壓力、力矩。

自動應用軸承載荷。

将力和約束從遠程位置傳輸到零件或裝配體。

模拟重力或因旋轉而産生的力（離心力）的效果。

應用固定約束或定向約束。

應用已知位移，而非力。

模拟柔性支撐。

.使用功能強大且直觀的可視化工具來解釋分析結果

使用3D輪廓圖研究結果數值的分布情況（包括應力、應變、變形形狀、位移、能量、誤差、應變能、密度和反作用力）。

使用預定義的傳感器或探測工具測量任何位置的結果。

繪制沿路徑變化的應力。

使用剖面圖顯示沿模型深度的結果，而且可以動态移動這些剖面。

列出分析結果并自動将數據輸出至Microsoft®Excel和Word。

導入特定位置的物理測試結果并與分析結果進行比較，或導出關鍵位置的分析數據進行物理測試。

使用設計檢查向導确定安全系數。

SolidWorks Simulation模态分析

頻率算例可幫助您避免共振和設計振動孤立系統。它們也構成估算線性動态系統的響應的基礎；在該系統

中動态環境的系統響應設想為與在分析中考慮到的模型的模式分布之和相等，扭曲分析幫助分析細長杆結構在受壓時發生失穩的最低載荷。

熱分析：

·機械零件及結構遇到溫度變化可對産品性能造成極大的影響。

研究傳導、對流及輻射熱傳遞。

支持各向同性、正交各向異性及熱敏材料屬性。

·支持穩态和瞬态的熱分析

跌落分析：

模拟在各種地面上的虛拟掉落測試；在零件或裝配體可能掉落的情況下，了解掉落後它們是否仍能保持完好無損；查看撞擊後裝配體中各個零件間的相互作用。

優化分析：

設計優化功能可以根據您指定的标準自動确定最佳設計方案。

有關靜态分析、熱分析、頻率分析或扭曲分析的基本約束标準。

有關質量或體積的基本客觀标準。

疲勞分析：

·了解疲勞對零件或裝配體的影響，确定它會持續多長時間以及對設計進行哪些方面的更改可延長其工

作壽命。

雨流圖表有助于确定載荷曆史中小應力周期的效果以及無限壽命的可能效果。

導入從真實物理測試獲得的載荷曆史數據，從而定義載荷事件。

壓力容器

·結合靜态載荷事件、熱載荷事件和地震載荷事件響應，确定壓力容器是否符合必要标準。

根據應用程序要求，對各種載荷進行線性組合。

從不同方向對地震載荷執行SRSS計算。

線性化任何橫截面上的應力，檢查是否遵守ASME

壓力容器規範。

SolidWorks Simulation

Premium

非線性分析：

快速解決因較大變形及邊界條件變化導緻的非線性問題。

從線性分析輕松轉換到非線性分析。

研究非線性扭曲和翹曲事件。

利用橡膠、矽樹脂及其他人造橡膠等超彈性材料優

化設計。

進行彈塑性分析，以研究設計中的屈曲和後屈曲分

析。

包括不同溫度下的蠕變效果及材料變化。

動态分析：

研究SolidWorks Simulation環境中因時間曆史激勵産生的動态響應分析。

使用勻速運行系統和多點運動系統，允許您對具有不均勻支撐激勵的結構進行建模。

輸入随機振動分析中力激勵曲線的功率頻譜密度（PSD）。

研究随時間變化的應力、位移、速度及加速度，以及應力、位移、速度及加速度的RMS及PSD值。

組合分析：

.從簡單的日用品到先進的航空結構材料，越來越多的産品開始采用複合材料。

研究具有膜片和折彎性能的三層、四層以及實心多層外殼要素。每一層均具有自己的各向同性或正交各向異性材料屬性、厚度及方向。

使用夾層和石墨或碳素纖維複合材料（例如蜂窩型材料、多孔泡沫和碳素纖維）。

Pro/ENGINEER Mechanica綜合的CAE軟件，Pro/ENGINEER包含完整的CAD/CAM功能。

Ansys，很經典的CAE，國内應用最廣，客戶成熟度最高，尤其是在高校科研領域。2006年收購了Fluent，2008年收購了AN-SOFT。Fluent是應用最廣的流體分析軟件，AN-SOFT是應用最廣的電磁分析軟件。在收購整合的過程中，Ansys的多物理場耦合成為一大特色。

ABAQUS，被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析複雜的固體力學結構力學系統。

ADINA，強大的非線性功能、能做直接流固耦合。

LS-DYNA，強大的動态問題求解器，專門汽車分析模塊，

Nastran，線性問題求解器

Pam crash，專門的碰撞研究軟件

Moldflow，模流分析軟件

AutoForm，钣金沖壓，特别是拉深分析軟件

Madymo，汽車安全系統，如氣囊，安全帶整車碰撞性能分析軟件

相對歐美國家，由于技術及仿真軟件的價格限制，國内CAE技術要落後一些，雖然這個技術得到了普遍的認可，但是普及程度不高。主要是因為CAE技術使用門檻較高，需要專業的CAE研發人員。此外安世亞太與CADFEM在中國合資的安世中德可以提供CAE項目的咨詢服務。

應用情況

一、引言

CAE（計算機輔助工程分析）主要是以有限元法、有限差分法、有限體積以及無網格法為數學基礎發展起來的一個軟件行業。在國内有限元法應用最為廣泛，故此在這裡主要介紹有限元類軟件在國内的應用，其他一些軟件不做過多的闡述。

作為20世紀中期興起的技術手段，有限元技術随着計算機技術的迅猛發展，得到了飛速的發展和廣泛的應用。基于有限元技術，已經在國際上形成了數百億規模的市場，而主要的有限元廠商則包括了ABAQUS、Solidworks Simulation、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的專業分析軟件則不勝枚舉。

随着有限元技術的發展，國内原有的有限元應用體系正在發生着深刻的變化。早在80年代初期，國内就已經形成了一批以高校和研究院所為重點的有限元技術研究、開發、應用體系。早期北大袁明武老師應用的SAP，在當時國内引起了廣泛的影響。在此背景下，國内的學者相繼開發了多套有限元程序，例如大連理工的JIFEX、鄭州機械研究所的紫瑞、北京農機學院的有限元分析系統，以及元計算科技發展有限公司梁國平老師的FEPG。而這些軟件由于各自的一些原因，雖然在國内産生了一定的影響，但都沒能在企業界得到廣泛的應用。随着90年代國外大型商業軟件進入國門，掀起了第二次有限元應用的浪潮。由于國内高校在有限元技術方面具備一定的研發和應用基礎，因而成為了應用初期階段的主力軍。

近幾年來，數字化産品設計的概念逐漸深入人心，國内高校技術研究和應用水平不斷提高，有限元技術已經為廣大企業所認可，第三次有限元技術的應用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技術不再僅僅停留在高校中，而是更多的走向了企業。同時，更多使用方便、操作簡單的專用分析軟件也得到了廣泛應用。

二、應用狀況

CAE軟件在國内主要應用于汽車、電子、航空航天、土木工程、石油等行業，在汽車行業的應用以及一些例如選軟件網的試用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前後處理軟件、通用有限元求解軟件和行業專用軟件。汽車行業在國外是有限元軟件的主要應用行業，其所涉及的專業領域相當廣泛，并且應用曆史長、應用成熟度高。

國内常見的前後處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、GID公司的GID前後處理軟件、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，這些軟件在美國的汽車廠商中都有着廣泛的應用。由于有限元技術的特點，使得前處理成為了一個相對獨立，而又十分重要的部分。一些大型企業都采用了适應自己需求的前後處理軟件。這些前後處理軟件都具有良好的接口，可與衆多的有限元求解軟件相結合，以便用戶更快、更方便地解算問題。

求解軟件可以說是琳琅滿目，通常的求解軟件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、SciFEA、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC Marc、NX Nastran。這些軟件都有着各自的特點，在行業内，一般将其分為線性分析軟件和非線性軟件，例如ANSYS、ALGOR都在線性分析方面具有自己的優勢，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點，其中ABAQUS被認為是最優秀的非線性求解軟件。

分析軟件正朝着多物理場的方向發展。大家可以通過業内一些公司的舉動感受到這一點，例如，ANSYS公司收購CFX流體軟件，并加強與EMSS公司的合作，不斷加強其多物理場耦合的功能。在這裡需要提到的是，由于曆史原因，ALGOR繼承了SAP的模塊化思想，在多物理場分析方面也有很好的應用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。由于解算多物理場問題更多是從物理方程出發，因此另外還有一些軟件在這方面有着良好的應用，比如MathWorks公司在數值計算軟件MATLAB基礎上發展起來的FEMLAB，又如國内飛箭公司針對微分方程的FEPG系統。

此外，專用有限元軟件受其應用領域的限制，隻能在各自的行業領域得到應用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件，可進行各種金屬材料澆鑄、流動性、固化、壓力、應力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據計算結果更改設計，調整帽口的位置和數量，進而提高鑄造質量。又如，法國ESI公司的ProCAST，其與MAGMA是競争關系，軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領域應用比較多的Deform系統，也得到了國内很多企業的認可。

在闆材成型行業裡，有AUTOFORM系列軟件，該軟件單元架構基于膜單元形式，因此其運算速度在同行業内相對較快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流動性分析可直觀地預測出沖壓件厚度及應力分布、開裂和皺褶的形成等。另外，來自ETA公司的DYNAFORM可以預測成形過程中闆料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈，評估闆料的成形性能，從而為闆料成形工藝及模具設計提供幫助。由于這一類分析工作與模具設計有着非常大的關聯，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計軟件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口，軟件的使用操作也都比較方便。

另外，在汽車行業應用中，經常要對整車進行機械動力學仿真，在這一領域中，國内常見的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來進行汽車操縱穩定性、汽車行駛平順性的動态仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若幹種輪胎模型供分析時選用，以準确地建立輪胎的動力學模型。ADAMS中的CAR模塊專為汽車動力學仿真而設計，使用十分方便。另外在國内應用比較廣泛的還有美國ETA公司的VPG，VPG（Virtual Proving Ground）虛拟試驗場是ETA公司長期總結汽車分析工程經驗，在LD-DANA平台上開發的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的專門應用于汽車工程的軟件。VPG主要被應用于當前汽車産品開發中的重點——整車系統疲勞、整車系統動力學、NVH和整車碰撞安全及乘員保護等熱門問題。

另外市場上還有一些專業軟件，例如，LMS公司的噪音分析軟件SYSNOISE，MSC公司的疲勞分析軟件MSC/Fatigue，nCode公司的Fatigue，奧地利MAGMA公司的熱疲勞分析軟件FEMFT等。

三、應用展望

下面筆者将按照一般的産品設計流程，在不同的設計階段，将上文提到的軟件對号入座，幫助讀者取得比較感性的認識。

⒈概念設計階段

這一階段主要有三個方面的内容。

1）市場調研；

2）技術設計，包括各種方案的計算機效果模拟和分析仿真論證；

3）評估、準備相關生産設施。

這一階段主要進行較為詳細的、帶有一定目标性的預演，大企業可以利用一些大型通用非線性CAE軟件來幫助制定方案，比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企業可以用ALGOR、ANSYS和ADINA、SciFEA等軟件完成這部分工作。

⒉詳細設計階段

在概念設計完成以後，緊接着就是詳細設計。這一階段要繪制各種零部件圖樣，确定彼此間的裝配關系，評估産品的性能（結構強度、剛度、動力特性和生産性等）。

該階段需要操作簡單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時間完成評估工作。這類軟件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS、SciFEA等，這些軟件有着良好的數據接口和網格自動生成功能，使用方便、快捷，對使用者的要求較低。在該階段的尾期，也可以用一些非線性求解器做進一步的驗證。

⒊樣機制造階段

根據詳細設計提供的模型或數據完成試驗樣機的加工制造。該階段是生産階段，所以較少使用CAE軟件，但可以用一些專業軟件，如鑄造分析軟件、闆料成形軟件來指導生産。

⒋産品測試評估階段

這一階段主要是利用各種測試和評估手段對産品成本、産品性能、産品質量和加工特性做出全面真實的評價，從而為設計更改和産品的生産提供可靠依據。在該階段，主要使用一些非線性分析功能強的軟件，以及一些多場耦合軟件，如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此階段還可以使用一些機械動力學仿真軟件、疲勞分析軟件，來最終評估整裝後的産品性能。

四、應用建議

綜上所述，國内市場上的CAE軟件非常豐富，企業采購軟件需要根據自己的實際情況。在發展的初期階段，由于各方面條件還不太完善，資金經費相對較為緊張，因此不可能面面俱到，一次引進所有的應用系統，應有計劃、有目标、分階段地引進。

軟件引進一定要根據具體情況量力而行，減少盲目性。在産品開發初期階段，采購軟件實際上是為了解決生産問題，并為緊接着的設計改型作前期準備，該階段可以找一些項目咨詢公司合作開發，以減少前期投入。

先進的分析設計軟件隻是開發設計的一個必要手段，最為關鍵的因素還是人。凡是一流的企業無不擁有一隻具有豐富實踐經驗、學科齊全、富有挑戰和創造意識的人才隊伍。軟件好買，人才難尋。因此在引進技術的同時，就要注重人才的培養，一方面可通過消化吸收，在實際設計生産中鍛煉隊伍，另一方面在國内外廣招人才，既可将有經驗的人才引進來，也可将企業的人才送出去，學習經驗技術，在用人政策上加大傾斜力度。

新版介紹

作為一個大型的CAE分析軟件，ANSYS自上個世紀七十年代誕生以來，随着計算機和有限元理論的發展，在各個領域得到了高度的評價和廣泛的應用。伴随着版本的更新，分析能力和各項操作功能都得到了更好的完善和發展。ANSYS12.0不僅在計算速度上進行了改進，同時增強了軟件的幾何處理、網格劃分和後處理等能力。另外，它還将創新的、耳目一新的仿真技術引入各主要物理學科。這些改進代表了仿真驅動産品的發展道路又向前邁出了一步。那麼ANSYS 12.0到底有哪些新增功能呢？讓我們一睹為快。

ANSYS Workbench作為一個框架，整合現有的應用，将仿真過程結合在一起，這一點在ANSYS Workbench2.0沒有改變。但在工程頁引入了工程圖解的概念，見圖1。通過該項功能，一個複雜的包含多場分析的物理問題，通過系統間的連接實現相關性。圖表元素右邊的狀态符号顯示了該項設置是否需要更新、輸入等，方便用戶查看設置狀态。

SciFEA—北京超算自主開發的個性化有限元分析系統

SciFEA超算有限元分析系統（簡稱SciFEA）是北京超算自主開發的主要的一款有限元軟件。SciFEA軟件按照全新的可裝配的思路進行開發，充分利用軟件的可重用性，大大降低了軟件開發的難度，增加了軟件的可靠度。SciFEA軟件的設計架構體現了數值模拟軟件個性化發展方向，為用戶提供了一種按需選擇的新模式。公司現有的技術力量可以面向機械、水利、岩土、地質與地球物理、石油勘探、航空航天、國防軍工等領域開展數值模拟軟件開發和技術服務。

●Scifea的優勢

●應用價值

計算模塊完全獨立，用戶隻須選擇關心的計算模塊，降低應用成本

沒有複雜的模型選擇分支，操作簡單易行

全中文菜單，便于理解和應用

豐富的計算實例，用戶以實例為向導，可快速上手

●前後處理

SciFEA的前後處理器采用歐洲工程數值模拟國際中心開發的GiD軟件。GiD軟件具有全面的幾何建模、網格劃分、CAD數據導入、後處理結果顯示等功能。GiD采用類似于CAD的操作模式，用戶在使用GiD創建複雜模型問題時，會感受到前所未有的方便和輕松。它易于操作、方便靈活、直觀便捷。

◆功能全面的幾何建模

可以通過拉伸、旋轉、景象、縮放、偏置等操作得到面、體，可以直接構造矩形、多邊形、圓、球、圓柱、圓錐、棱柱、圓環等；通過體面的布爾加、減、交等操作得到模型。

◆性能卓越的網格自動生成

GiD可快速将幾何模型自動離散成線單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元、六面體單元等，并且可以根據用戶的需要對網格進行局部的加密以及網格階次的選擇。

◆豐富的CAD和CAE接口

GiD提供：IGES、DXF、Parasolid、VDA、STL、Nastran等接口，并且可以将GiD的數據文件寫成上述的格式。

◆靈活的後處理

GiD可将結果寫成各種常用的圖形文件如：BMP、GIF、TPEG、PNG、TGA、TIFF、VRML等格式，以及AVI、MEPG的動畫格式。後處理支持的結果顯示方式有：帶狀雲圖顯示、等直線顯示、切片顯示、矢量顯示、變形顯示等等。并且可以根據用戶的需要定制顯示菜單。

●可信度保障措施

基于嚴格的有限元理論進行軟件設計

采用裝配式開發，通過軟件模塊重用增加可信度

采用獨立的數據結構，新增模塊不影響既有模塊

通過算例将SciFEA計算結果和理論解進行驗證

在高校、科研單位建立軟件測試站點，充分進行軟件測試。

RECURDYN簡介：

在CAE中，還有一款軟件性能相當優越—RECURDYN，它是有韓國FunctionBay聯合世界各地的實驗室研發出，在多體系統仿真中應用尤為重要。由于采用先進的算法，仿真的可靠度、運行求解速度大大提升。該軟件在接觸碰撞、剛柔混合領域表現出色，可運用于飛機起落架仿真、履帶坦克仿真、發動機仿真等多領域。該軟件還與MATLAB設有接口，可以進行聯合仿真，方便快捷。

展望及對策

新的世紀已經來臨，在這信息化和網絡化的時代，随着計算機技術、CAE軟件和網絡技術的進步，計算機輔助工程将得到極大的發展。

硬件方面，計算機将在高速化、小型化和大容量方面取得更大進步。可以預見，不久的将來PC機将在運行速度和存儲容量方面得到大幅度的提高，使許多CAE分析軟件都能在PC機上運行。這将為CAE技術的普及創造更好的硬件基礎，促進CAE技術的工業化應用。

軟件方面，現有的計算機仿真分析軟件将得到進一步的完善。大型通用分析軟件的功能将愈來愈強大，界面也将愈來愈友好，涵蓋的工程領域将愈來愈普遍。同時，适用于某些專門用途的專用分析軟件也将受到重視并被逐步開發完善起來。各行各業都将會具有适于各自領域的計算機仿真分析軟件。

網絡化時代的到來也将對CAE技術的發展帶來不可估量的促進作用。現在許多大的軟件公司已經采用互聯網對用戶在其分析過程中遇到的困難提供技術支持。随着互聯網技術的不斷發展和普及，通過網絡信息傳遞，不僅對某些技術難題，甚至對于全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術支持，這必将在CAE技術的推廣應用方面發揮極為重要的作用。

中國加入WTO後，我國的産品已不再可能依*政府來保護自己的市場，必須與國際接軌，面對國際市場。工業界必須對市場需求做出迅速反應，縮短工程設計周期，優化産品和節省造價，保證産品質量，才能赢得市場。為此，在産品的設計制造過程中應用CAD、CAE和CAM等技術是最好的選擇，這已經成為國際上科技界和工業界的共識。過去長期沿用的那些靜态的、孤立的、繁雜的、不準确的、甚至有時隻能憑經驗進行的設計和分析方法必然将處于被淘汰的地位。我國的工業界要想在激烈的國際市場競争中占有一席之地，就必須跟上現代科學技術的發展，從現在起就應該對CAE技術予以足夠的重視。

作為世界上發展速度最快的一個發展中國家，CAE技術水平的提高将對增強我國工業界的市場競争能力，發展國民經濟發揮重要作用。因此，我們必須加大對CAE技術的投入，加快開發自己的計算機分析軟件，培養一批掌握CAE技術的人才。針對我國工業界，特别是中小企業的CAE技術還較為落後，缺乏專門人才的實際情況，如何利用飛速發展的互聯網技術将我們的人才和技術資源充分發揮出來為企業服務，是在CAE技術的發展中值得重視的一個問題。我國科技界、教育界和工業界應該攜起手來為CAE技術的研究開發、人才培養和工業化應用而共同努力。

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