CAE的意义

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计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering）和现代化生产

龚尧南，钱 纯 北京航空航天大学

当前，人们非常关心并且常常议论的话题之一，就是本世纪或本世纪初的科技发展和科教兴国问题；特别是，新世纪的经济模式和工业技术将怎样发展。本文旨在介绍计算机辅助工程在现代产品设计和开发中的地位和作用。

我们今天正处在以计算机的普及、应用为起点的高科技时代，即信息经济时代。这一经济时代的生产特点是：生产手段上采用了机械、电子和智能等方面的高新技术，产品的科技信息含量高；生产过程高度自动化、集成化、和柔性化，目的是为了适应多品种、小批量、甚至可以定制的市场需求，因此，生产形式必须富有集成性和柔性（灵活性、适应性、易变性），甚至带有虚拟性（即所谓虚拟企业）；作业一体化，带有团队作业的性质；管理上采用网络管理的形式。在这样的生产方式的要求下，计算机在生产中的应用愈来愈具有重要的作用，如计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程（CAE）和计算机辅助制造（CAM）。 早在1991年，美国的“国家关键技术委员会”就向美国国会和总统递交了一份报告，明确指出，美国当时面临的挑战其主要方面已不再是军事的需要，而是经济上的激烈竞争，并且提出了22项应优先发展的关键技术，其中包括柔性制造系统，智能加工设备，系统管理技术，高性能计算与联网，计算机仿真与建模，等等。1992年，美国国防部国防研究与工程署也提出了11项核心技术领域，“设计自动化”就是其中之一。 提起设计自动化，人们马上就会联想到早已熟知的计算机辅助设计。计算机辅助设计不仅是指强大的图形绘制和设计功能，而且它所生成的数字化图形数据，可以很方便地为后续工序所采用，如提供给结构分析部门进行结构的静力和动力强度分析，提供给制造工艺部门用以设计工、夹具，绘制模线，生产样板等等。计算机辅助制造就是利用CAD在设计过程中所生成的数字数据，并使用由计算机控制的自动化的制造设备进行生产的。那么，计算机辅助工程CAE在高科技时代的产品设计、制造过程中又究竟处于什么样的位置、起到什么样的作用呢？ 所谓计算机辅助工程即CAE，实际上就是指在计算机上利用相应的计算机分析软件进行的分析计算，如静应力、动应力和温度应力计算，各种载荷作用下的变形计算，振动频率和振动模态的计算，温度计算，甚至高速冲击产生的应力波计算，等等。

在实现设计自动化的过程中，人们往往重视计算机辅助设计（CAD），而忽略了计算机辅助工程。或者说，人们一般对于计算机辅助设计和辅助制造比较了解，但是对计算机辅助工程在现代化生产过程中的作用比较生疏。因此，着重介绍一下在现代化（信息化）的生产过程中，CAE究竟扮演了什么角色，可以起到什么样的作用，是很必要的。

传统的生产方式是，产品开发人员先根据销售人员进行市场需求调查的结果，在头脑中进行构思，然后在纸面上进行设计出用户所需求的产品，当然在设计时也要考虑到产品的材料、工艺性和维修性以及成本；产品生产人员再按照纸面设计进行工艺准备，做出样机，然后进行（各种使用环境下的）功能试验、可靠性试验和寿命试验。如果出现问题或不满足预定设计要求的情况，就要修改设计，然后再从头开始。这样，一方面把产品从开始设计到正式投放市场的周期拉得很长，从而痛失良机，二是增加了开发成本（也就是增加了产品的价格或减少了利润），甚至丧失了市场。 现代化（计算机化）的生产过程则不然。现代化和智能化生产的最终目的，是要以最快的速度和最低的成本，生产出质量和功能最优的、符合国际和国家标准的、不仅可满足尽可能多


的用户需求、而且也可以生产出专门为满足个别用户特殊需求而研制的产品。首先，设计人员可以通过网络了解（调查）市场需求，同样地通过网络了解已有的同类产品在使用过程中经常出现的故障和弊端，以及用户的反映；在此基础上提出新的设计方案，并通过CAD软件将这一设计方案图形化。分析人员可以根据图形化的设计方案通过CAE软件的前处理功能将图形方案数据化，并使用CAE中的相关软件进行快速的精确分析，分析结果不仅可以是数据（数字）结果，而且可以通过CAE的后处理功能将这一数字结果图形化，无论是静止的还是动化的图形，以及应力、位移和温度等的分布图形。实际上，这一后处理的过程，就是计算机仿真或计算机试验（实验）。 最早研制的用于实际产品设计的商业软件恐怕是始于60 年代美国NASA为完成登月计划而专门开发的分析程序了，它也就是后来闻名于世的NASTRAN分析软件，后来相继出现了SAP，ADINA等等分析软件，到今天已经开发了无以数计的各种各样的分析软件，如MSC.Marc, MSC.Dytran, MSC.Fatigue这些分析软件，绝大多数是以有限元素法作为分析的理论基础的，虽然后来也曾出现过一些特殊的、例如以边界元素法、等参元法和其它特殊理论为基础的分析软件，但时至今天，分析软件的种类已经日趋集中，而分析的功能则更加强大。不仅能够分析一般的静应力和动应力，而且可以分析温度场和温度应力、冲击应力等等。有些分析软件的功能已经扩大到电学和声学等领域。MSC.Software公司作为CAE领域最大的工程校验，有限元分析和计算机仿真预测应用软件供应商，其产品被广泛应用于各个行业的工程仿真分析，包括国防，航空航天，机械制造，汽车，船舶，兵器，电子，铁道，石化，能源，材料工程，科学研究及大专院校等各个工业领域，用户遍及世界100多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研究机构，其中覆盖了全球92%的机械设计制造部门，97%的汽车制造商和零部件供应商，95%的航空航天公司和98%的国防及军事研发部门。

显而易见，随着分析软件以及相应的前、后处理软件功能的不断增强，CAE在现代化生产中的作用，无论是缩短研制周期、降低成本、提高产品质量，还是提升产品的市场占有率，满足多种用户的需求，都是不能低估的。

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