1 引言

CAE(計(jì)算機(jī)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(wú)網(wǎng)格法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)軟件行業(yè)。由于目前在國(guó)內(nèi)有限元法應(yīng)用最為廣泛，故此在這里主要介紹有限元類軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，其他一些軟件不做過(guò)多的闡述。
作為20世紀(jì)中期興起的技術(shù)手段，有限元技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。基于有限元技術(shù)，已經(jīng)在國(guó)際上形成了數(shù)百億規(guī)模的市場(chǎng)，而主要的有限元廠商則包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的專業(yè)分析軟件則不勝枚舉。

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)原有的有限元應(yīng)用體系正在發(fā)生著深刻的變化。早在80年代初期，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)形成了一批以高校和研究院所為重點(diǎn)的有限元技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用體系。早期北大 袁明武 老師應(yīng)用的SAP，在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)引起了廣泛的影響。在此背景下，國(guó)內(nèi)的學(xué)者相繼開(kāi)發(fā)了多套有限元程序，例如大連理工的JIFEX、鄭州機(jī)械研究所的紫瑞、北京農(nóng)機(jī)學(xué)院的有限元分析系統(tǒng)，以及計(jì)算所 梁國(guó)平 老師的邢PG。而這些軟件由于各自的一些原因，雖然在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生了一定的影響，但都沒(méi)能在企業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用。隨著90年代國(guó)外大型商業(yè)軟件進(jìn)入國(guó)門，掀起了第二次有限元應(yīng)用的浪潮。由于國(guó)內(nèi)高校在有限元技術(shù)方面具備一定的研發(fā)和應(yīng)用基礎(chǔ)，因而成為了應(yīng)用初期階段的主力軍。

近幾年來(lái)，數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念逐漸深入人心，國(guó)內(nèi)高校技術(shù)研究和應(yīng)用水平不斷提高，有限元技術(shù)已經(jīng)為廣大企業(yè)所認(rèn)可，第三次有限元技術(shù)的應(yīng)用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技術(shù)不再僅僅停留在高校中，而是更多的走向了企業(yè)。同時(shí)，更多使用方便、操作簡(jiǎn)單的專用分析軟件也得到了廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)用狀況
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。

目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的邢MAP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。由于有限元技術(shù)的特點(diǎn)，使得前處理成為了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立，而又十分重要的部分。一些大型企業(yè)都采用了適應(yīng)自己需求的前后處理軟件。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。

求解軟件可以說(shuō)是琳瑯滿目，通常的求解軟件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR；ANSYS、 COsmOs、 MSC／NASTRAN、 MSC／MARC、 NEI／NASTRAN。這些軟件都有著各自的特點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)，一般將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(yōu)勢(shì)，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點(diǎn)，其中ABAQUS被認(rèn)為是最優(yōu)秀的非線性求解軟件。

近年來(lái)，分析軟件正朝著多物理場(chǎng)的方向發(fā)展。大家可以通過(guò)業(yè)內(nèi)一些公司的舉動(dòng)感受到這一點(diǎn)，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。在這里需要提到的是，由于歷史原因，ALGOR繼承了SAP的模塊化思想，在多物理場(chǎng)分析方面也有很好的應(yīng)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(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FEMLAB系統(tǒng)。

三、應(yīng)用展望
下面筆者將按照一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，在不同的設(shè)計(jì)階段，將上文提到的軟件對(duì)號(hào)入座，幫助讀者取得比較感性的認(rèn)識(shí)。
1．概念設(shè)計(jì)階段
這一階段主要有三個(gè)方面的內(nèi)容。
1)市場(chǎng)調(diào)研；
2)技術(shù)設(shè)計(jì)，包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證
3)評(píng)估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施。
這一階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演，大企業(yè)可以利用一些大型通用非線性CAE軟件來(lái)幫助制定方案，比如ABAQUS、MSC／NASTRAN、MSC/MARC。而中小企業(yè)可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等軟件完成這部分工作。
2．詳細(xì)設(shè)計(jì)階段
在概念設(shè)計(jì)完成以后，緊接著就是詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評(píng)估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力特性和生產(chǎn)性等)。
該階段需要操作簡(jiǎn)單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時(shí)間完成評(píng)估工作。這類軟件包括ALGOR、ANSYS／DesignSpace、COSMOS等，這些軟件有著良好的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)格自動(dòng)生成功能，使用方便、快捷，對(duì)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(jìn)一步的驗(yàn)證。
3．樣機(jī)制造階段
根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)樣機(jī)的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用CAE軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。
4．產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估階段
這一階段主要是利用各種測(cè)試和評(píng)估手段對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評(píng)價(jià)，從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。在該階段，主要使用一些非線性分析功能強(qiáng)的軟件，以及一些多場(chǎng)耦合軟件，如ABAQUS、ANSYS、MSC／NASTRAN、MSC／MARC等。在此階段還可以使用一些機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件、疲勞分析軟件，來(lái)最終評(píng)估整裝后的產(chǎn)品性能。