計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來----（二）現狀
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二．現狀
?計算機輔助工程計算起源于五十年代中期。
?實用的 CAE軟件誕生于七十年代初期。
?從七零年到八五年的十五年，是CAE軟件的功能和算法的擴充和完善期，到八十年代中期，逐步形成了商品化的通用和專用CAE軟件。
?到八十年代后期國際上知名的CAE軟件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN－3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、FASTRAN 等。
?國內的CAE軟件主要是JIFEX, FEM, FEPS, …等。
?它們都是采用結構化軟件設計方法、用FORTRAN語言和數據文件管理技術，開發的結構化軟件。
?近十五年CAE的發展，不僅是擴充了軟件的功能、性能，更重要的是擴充了用戶界面，前、后處理能力；對數據管理和圖形部份，進行了重大的改造。新增的軟件成分大都采用了面向對象的軟件技術和C++語言。
?近十五年CAE軟件發展很快，目前市場上的CAE軟件，在功能、性能、可用性﹑可靠性方面，基本上滿足了用戶的需求，它們可以運行在超級并行機，大、中、小、微等各類計算機系統上。
通用CAE的算法與軟件模塊
前處理
?三維實體建模與參數化建模，
?構件的布爾運算，
?有限元自動剖分與節點自動編號，
?節點參數自動生成，
?荷載與材料數據輸入與公式化導入，節點荷載自動生成，
?有限元模型信息自動生成, ...。
有限元分析
?有限單元庫，
?材料庫及相關算法庫，
?約束處理算法，
?靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫及相應的有限元系統組裝模塊庫，
?單元內物理場計算等, ...。
有限元分析子系統
根據工程問題的物理、力學和數學特征，有
限元分析可以分解成若干個子問題子系統:
?線性靜力分析子系統,
?動力及高速 碰撞分析子系統,
? 振動模態分析子系統,
?非線性分析子系統,
?多體耦合與接觸分析子系統,
?熱分析與熱-力耦合分析子系統,…。
?CAE軟件的計算分析與模擬仿真能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫包含的單元類型越多，材料庫包括的材料特性種類越全，其對工程/產品的分析與仿真能力就越強。
?知名CAE軟件的單元庫一般都有百余種單元，并擁有一個比較完善的材料庫。
?CAE軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫；如果解法庫包含了各種不同類型的高性能求解算法，那它就會對不同類型、不同規模的問題，以較快的速度和較高的精度給出計算結果。先進高效的求解算法與常規的求解算法相比，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計算機環境下運行。
后處理
?有限元分析結果的數據平滑，
?各種物理量的加工與顯示，
?根據設計要求對工程/產品按工程規范進行設計數據檢驗，
?優化設計，
?配筋設計與繪制設計圖，….
?前后處理是近十多年發展最快的CAE軟件成份，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業化、屬地化，并實現與CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關鍵成份；通過增加面向行業的數據處理和優化算法模塊實現了特定行業的有效應用.
?ANSYS軟件通過增設與CAD 軟件的接口模塊，實現了與Pro/Engineer，CADDS，Unigraphic，Solidedge，CADIA，Solidworks，MDT以及SolidDesigner，MicroStation等軟件的有效集成。
用戶界面
?用戶界面包括交互式圖形界面，
?數據導入與導出宏命令,
?CAE相關的GUI圖符，
?智能化用戶界面支持系統(專家系統）。
?有些CAE軟件擁有專用的智能化用戶界面，能夠幫助用戶選擇單元形態，分析流程，判斷分析結果等，使用戶使用CAE軟件，就像使用“傻瓜”相機一樣，具有一按即得的功效。
?國產的“傻瓜”型機械CAE軟件已經聞世兩年。
數據管理系統與數據庫
?不同的CAE軟件采用的數據管理技術不同：文件管理系統，關系型數據庫管理系統，面向對象的工程數據庫管理系統等；
?數據庫：標準構件庫，典型工程／產品的結構圖形庫，常規材料特性數據庫，相關的國家／國際標準與規范庫，以及有關的知識庫等。
?數據管理系統和數據庫已經成為大型應用軟件實現系統集成的核心，它們為CAE軟件的功能擴充，實現與CAD、CAM…軟件的連接運行奠定了基礎。
?數據管理系統和數據庫的優劣，對大型CAE軟件的運行效率影響極大。統計資料表明，CAE軟件在運行中，70％左右的時間是在進行數據交換。
目前國際上先進CAE軟件功能
?靜力和擬靜力的線性與非線性分析
?線性與非線性動力分析
?穩態與瞬態熱分析
? 電磁場和電流分析
?流體計算
?聲場與波的傳波計算，…。
靜力和擬靜力的線性與非線性分析
?各種單一和復雜組合結構的彈性、彈塑性、塑性、蠕變、膨脹、幾何大變形、大應變、疲勞、斷裂、損傷，以及多體彈塑性接觸在內的變形與應力應變分析。
線性與非線性動力分析
?各種動荷載、爆炸與沖擊荷載作用下的時程分析，
?振動模態分析，
?交變荷載與諧波響應分析，
?隨機地震荷載及隨機振動分析，
?屈曲與穩定性分析等。
穩態、瞬態熱傳導與熱-力耦合分析
?熱傳導分析，
?對流和幅射狀態下的熱分析，
?相變分析，
?熱/結構耦合分析，…。
電磁場和電流分析
?靜態和交變態的電磁場分析，
?電流與壓電行為分析，
?電磁/結構耦合分析，...。
流體計算
?常規的管內和外場的層流與端流分析，
?熱/流耦合分析，
?流/固耦合分析，...。
聲場與波的傳波計算
?靜態和動態聲場及噪聲計算，
?固體、流體和空氣中波的傳播計算，...。
?伴隨著CAE的發展，CAE與CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已經形成了一個包括研究、開發、營銷、咨詢、培訓服務在內的軟件產業，這是一個對工程和產品制造業的技術創新有重大影響的軟件產業，它已經并會繼續對國民經濟的發展做出重要貢獻。
?計算機輔助工程計算起源于五十年代中期。
?實用的 CAE軟件誕生于七十年代初期。
?從七零年到八五年的十五年，是CAE軟件的功能和算法的擴充和完善期，到八十年代中期，逐步形成了商品化的通用和專用CAE軟件。
?到八十年代后期國際上知名的CAE軟件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN－3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、FASTRAN 等。
?國內的CAE軟件主要是JIFEX, FEM, FEPS, …等。
?它們都是采用結構化軟件設計方法、用FORTRAN語言和數據文件管理技術，開發的結構化軟件。
?近十五年CAE的發展，不僅是擴充了軟件的功能、性能，更重要的是擴充了用戶界面，前、后處理能力；對數據管理和圖形部份，進行了重大的改造。新增的軟件成分大都采用了面向對象的軟件技術和C++語言。
?近十五年CAE軟件發展很快，目前市場上的CAE軟件，在功能、性能、可用性﹑可靠性方面，基本上滿足了用戶的需求，它們可以運行在超級并行機，大、中、小、微等各類計算機系統上。
通用CAE的算法與軟件模塊
前處理
?三維實體建模與參數化建模，
?構件的布爾運算，
?有限元自動剖分與節點自動編號，
?節點參數自動生成，
?荷載與材料數據輸入與公式化導入，節點荷載自動生成，
?有限元模型信息自動生成, ...。
有限元分析
?有限單元庫，
?材料庫及相關算法庫，
?約束處理算法，
?靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫及相應的有限元系統組裝模塊庫，
?單元內物理場計算等, ...。
有限元分析子系統
根據工程問題的物理、力學和數學特征，有
限元分析可以分解成若干個子問題子系統:
?線性靜力分析子系統,
?動力及高速 碰撞分析子系統,
? 振動模態分析子系統,
?非線性分析子系統,
?多體耦合與接觸分析子系統,
?熱分析與熱-力耦合分析子系統,…。
?CAE軟件的計算分析與模擬仿真能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫包含的單元類型越多，材料庫包括的材料特性種類越全，其對工程/產品的分析與仿真能力就越強。
?知名CAE軟件的單元庫一般都有百余種單元，并擁有一個比較完善的材料庫。
?CAE軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫；如果解法庫包含了各種不同類型的高性能求解算法，那它就會對不同類型、不同規模的問題，以較快的速度和較高的精度給出計算結果。先進高效的求解算法與常規的求解算法相比，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計算機環境下運行。
后處理
?有限元分析結果的數據平滑，
?各種物理量的加工與顯示，
?根據設計要求對工程/產品按工程規范進行設計數據檢驗，
?優化設計，
?配筋設計與繪制設計圖，….
?前后處理是近十多年發展最快的CAE軟件成份，它們是CAE軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業化、屬地化，并實現與CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無縫集成的關鍵成份；通過增加面向行業的數據處理和優化算法模塊實現了特定行業的有效應用.
?ANSYS軟件通過增設與CAD 軟件的接口模塊，實現了與Pro/Engineer，CADDS，Unigraphic，Solidedge，CADIA，Solidworks，MDT以及SolidDesigner，MicroStation等軟件的有效集成。
用戶界面
?用戶界面包括交互式圖形界面，
?數據導入與導出宏命令,
?CAE相關的GUI圖符，
?智能化用戶界面支持系統(專家系統）。
?有些CAE軟件擁有專用的智能化用戶界面，能夠幫助用戶選擇單元形態，分析流程，判斷分析結果等，使用戶使用CAE軟件，就像使用“傻瓜”相機一樣，具有一按即得的功效。
?國產的“傻瓜”型機械CAE軟件已經聞世兩年。
數據管理系統與數據庫
?不同的CAE軟件采用的數據管理技術不同：文件管理系統，關系型數據庫管理系統，面向對象的工程數據庫管理系統等；
?數據庫：標準構件庫，典型工程／產品的結構圖形庫，常規材料特性數據庫，相關的國家／國際標準與規范庫，以及有關的知識庫等。
?數據管理系統和數據庫已經成為大型應用軟件實現系統集成的核心，它們為CAE軟件的功能擴充，實現與CAD、CAM…軟件的連接運行奠定了基礎。
?數據管理系統和數據庫的優劣，對大型CAE軟件的運行效率影響極大。統計資料表明，CAE軟件在運行中，70％左右的時間是在進行數據交換。
目前國際上先進CAE軟件功能
?靜力和擬靜力的線性與非線性分析
?線性與非線性動力分析
?穩態與瞬態熱分析
? 電磁場和電流分析
?流體計算
?聲場與波的傳波計算，…。
靜力和擬靜力的線性與非線性分析
?各種單一和復雜組合結構的彈性、彈塑性、塑性、蠕變、膨脹、幾何大變形、大應變、疲勞、斷裂、損傷，以及多體彈塑性接觸在內的變形與應力應變分析。
線性與非線性動力分析
?各種動荷載、爆炸與沖擊荷載作用下的時程分析，
?振動模態分析，
?交變荷載與諧波響應分析，
?隨機地震荷載及隨機振動分析，
?屈曲與穩定性分析等。
穩態、瞬態熱傳導與熱-力耦合分析
?熱傳導分析，
?對流和幅射狀態下的熱分析，
?相變分析，
?熱/結構耦合分析，…。
電磁場和電流分析
?靜態和交變態的電磁場分析，
?電流與壓電行為分析，
?電磁/結構耦合分析，...。
流體計算
?常規的管內和外場的層流與端流分析，
?熱/流耦合分析，
?流/固耦合分析，...。
聲場與波的傳波計算
?靜態和動態聲場及噪聲計算，
?固體、流體和空氣中波的傳播計算，...。
?伴隨著CAE的發展，CAE與CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已經形成了一個包括研究、開發、營銷、咨詢、培訓服務在內的軟件產業，這是一個對工程和產品制造業的技術創新有重大影響的軟件產業，它已經并會繼續對國民經濟的發展做出重要貢獻。
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