計算機輔助工程 (CAE)的案例
計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來（一）
計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來
崔俊芝
中國工程院院士
本報告受到國家自然科學基金重點項目（19932030）
和國家重點基礎研究專項經費資助
摘要
?計算機輔助工程（CAE）是一種迅速發展的信息技術，是實現重大工程和工業產品的計算分析、模擬仿真與優化設計的工程軟件，是支持工程科學家進行創新研究和工程師進行創新設計的、最重要的工具和手段。本報告將扼要敘述CAE技術及其軟件的現狀，并展望最近十年的發展趨勢。
一．概述
?計算機輔助工程（CAE)，從字面上講它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產品的功能、性能與安全可靠性進行計算、優化設計，對未來的工作狀態和運行行為進行模擬仿真，及早發現設計缺隕，改進和優化設計方案，證實未來工程/產品的可用性與可靠性。
工程師進行創新設計的重要手段和工具
?工程和制造企業的生命力在于工程/產品的創新，而對于工程師來說，實現創新的關鍵，除了設計思想和概念之外，最主要的技術手段，就是采用先進可靠的CAE軟件.
科學家進行創新研究的重要手段
?科學計算是現代科學家進行科學和技術研究的三大手段之一。它可以幫助科學家揭示用物質實驗手段尚不能表現的科學奧秘和科學規律。
?同時，它也是工程科學家的研究成果--理論、方法和科學數據--的歸屬之一，做成軟件和數據庫，成為推動工程和社會進步的最新生產力。
?CAE軟件是迅速發展中的計算力學、計算數學、相關的工程科學、工程管理學與現代計算機科學和技術相結合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品。
CAE軟件分類
?針對特定類型的工程/產品所開發的用于產品性能分析、預測和優化計算的軟件，稱為專用CAE軟件。
?可以對多種類型的工程/產品的工程行為進行計算分析，模擬仿真，性能預測、評價與優化的軟件，稱為通用CAE軟件。
展開 計算機輔助工程（CAE）技術概論
CAE——Computer Aided Engineering
計算機輔助工程
一般：核心理論是基于現代計算力學的有限元分析技術
廣義：所有在計算機幫助下能實現的技術
History:
二十世紀五十年代：現代有限元初始發展階段
六十年代：探索發展時期，出現了MSC、SDRC和ANSYS等第一批商業公司
在發展方向上MSC和ANSYS專注于專業領域，SDRC則偏向于發展CAD/CAE/CAM/CAT/PDM集成化系統
七十年代——八十年代： 蓬勃發展時期，MARC、HKS和Altair等公司成立
九十年代：與CAD技術相輔相成的共同發展、推廣使用時期。
Today:
有限元技術在工程分析中的作用已從分析和校核擴展到優化設計，并和計算機輔助設計技術的結合越來越緊密。
Future:
應用領域：目前應用范圍擴大到軍事、航空、航天、機械、電子、化工、汽車、生物醫學、建筑、能源、計算機設備等各個領域；
使用對象：從以專家為主轉向普通設計者和開發工程師；
軟件環境：今后分析軟件環境的主要特點是自動化、集成化、直觀化。從單一的CAE功能轉向CAD/CAE/CAM/CAT一體化；
使用時機：CAE技術將會貫穿產品開發的每一個環節；
專業融合：隨著硬件性能的發展和理論方法的進一步完善，未來軟件會更加有效。在實驗方法（CAT）和分析方法（CAE）之間的平衡關系中，會向增加分析方法的方向傾斜。CAE與CAT技術結合在一起使用，這是一種“廣義的CAE”技術，又稱為產品評估。
技術創新：變量化技術在CAD領域的成功應用將會擴展到分析領域，以實現變量化分析（Variational Analysis）。到那時，即時的、隨意的多方案分析過程將使CAE變得更加輕松自如，易學好用。
展開 計算機輔助工程(CAE)分析流程簡介
步驟二：進行準備工作，包括與設計人員的協調以及選擇需要用的軟件，各種常用CAE軟件的介紹請參考我的《系列介紹之二》。
步驟三：導入CAD幾何數模（Pro/E,UG,CATIA等），如果模型很簡單也可以用CAE軟件自帶的簡單建模工具進行建模。如果是較大的項目，例如汽車整車的車身，需要考慮模型規模的大小，某些不必要的零件可以去掉。
步驟四：如果是從CAD導入的模型，有可能發生幾何特征缺失或者產生一些不必要的小碎面，這些幾何錯誤都需要clean up的工作，否則會影響有限元模型的質量、計算的精度和速度，HyperMesh在這方面有非常強大的功能，而且操作方便，其它CAE軟件中只有I- deas能與之相比，但接口仍然不如HyperMesh（個人觀點）。HyperMesh的強大幾何清理功能我會在后面的介紹中詳細闡述。
步驟五：根據分析的目的并結合模型的特點，選擇適當的單元類型。雖然各種CAE軟件有不同的單元類型，但實際上一些最常用的單元類型的原理都是相同的，想了解各種不同的單元建議參考ABAQUS的使用手冊，內容博大精深，需要多年的使用經驗積累才能完全領會，作為初學者，只需要用到什么學什么就可以了。清華翻譯的兩本ABAQUS書雖然老了點，但是在概念上并不過時。
步驟六：根據計算機的能力和要求的精度確定合適的網格大小，劃分網格。這是一個比較復雜的問題，可以作為大家討論的重點。但總體來說，無他，唯手熟而。
步驟七：施加載荷和邊界條件，這是有限元模型的精華，所有令人喪氣、郁悶的過程都集中于此，但是當計算結果比較成功的時候，帶來的樂趣也是讓人興奮的。這一步需要的是經驗和根據經驗做出某種簡化或者取舍的勇氣。
步驟八：分析計算，現代CAE軟件的強大功能使這一步基本上不再需要人工干預了。
展開 計算機輔助工程(CAE)前處理之幾何清理
但是真正做工程項目是不一樣的，要保證計算的精度，還要考慮計算的耗費，幾何清理是CAE前處理的重要部分，有了它，很多事情可以事半功倍。
在這一點上，國外和國內有很大的區別，國外對工程實際和理論的結合非常重視，國內則有一些脫節。還有這樣一個現象，在國內用戶群最大的軟件，在國外市場份額很小，反之在國外用戶最多的軟件在國內沒什么市場。原因當然很多，每個公司的市場做的業績，企業領導的決定權、技術人員的觀念...
計算機輔助工程(CAE)前處理之邊界條件
話說回來，培訓教材上的例子還是非常重要的，不僅僅是因為它提供了初級的CAE分析流程，還因為它的很多例子都是有針對性的，對一些軟件使用問題，在查手冊的時候可以通過例子來看。
總而言之，對有限元模型施加邊界條件的原則就是：在反映真實情況的前提下，合理地進行簡化。例如一個螺栓連接，如果需要對它進行強度校核，除了螺栓孔以外，還需要模擬螺栓和它的接觸，如何加載？但是，如果這個螺栓連接是在一個很大的裝配上，我們真正關心的是整個模型的應力情況，這個螺栓只是起到連接兩個零件的作用，這個時候甚至不需要考慮螺栓本身，只需要在螺栓孔位置將兩個零件用rigid單元連起來就可以了。
有限元分析的邊界條件非常的復雜，無論是原理還是應用，如果要全部講清楚可能需要在各個相關行業找幾個有十年以上應用經驗的人來講應用，再從國外請幾個算法大師來講原理，當然聽中還需要有一定的數學知識。這些都不是我現在所能做的。我只是希望能帶給初學者一些對CAE分析整體的認識。在我剛剛跨進這一行的時候，很多次懷疑過我自己，因為我總是失敗，但是也許就是那么一點點額外的不輕言放棄的性格讓我堅持下來，很多次失敗以后體會到了成功的快樂。無論我以后做什么都會記住這一點。
最后想起來，作為一名CAE分析人員，一定要善于交流，對我們要分析的東西，一定要聽取最了解它們的人的經驗，做分析最大的好處就是，一個項目做完，你也就成了這方面的專家了。
展開 計算機輔助工程(CAE)前處理之網格劃分
顯然是后者，因為計算機不會知道哪個圓孔是需要特別關注因而需要細化網格的，它也不會知道哪個特征是可以忽略掉的。而通過人工指定就不一樣了。
3.絕對不要認為一個模型劃分完網格能計算通過就萬事大吉了，問題肯定是存在的。CAE的目的是什么？是分析，結果是否合理，如何跟客戶解釋？那么計算結果的合理性取決于什么呢，除了邊界條件以外，網格的質量和合理性起著決定性的作用。
劃分網格最重要的原則就是——態度。態度決定一切（米盧語），劃分網格需要的耐心和細心都來源于認真的態度，我想無論是做人還是做事都一定要認真。
《汽車計算機輔助開發技術》
【目錄】
導論
1 人類與汽車
2 計算機與汽車
第一篇 當今的汽車開發手段
第一章 汽車開發的困惑
1.1 百年汽車業的啟示
1.2 人類的思考
第二章 現代汽車開發的體制
2.1 開發流程
2.2 同時工程的提出
2.3 同時工程與傳統方式的不同
2.4 同時工程與并行工程
2.5 同時工程的基礎—CAD/CAE/CAM系統
第三章 現代汽車開發的基本過程
3.1 產品開發過程
3.2 汽車零部件的開發
第二篇 汽車計算機輔助設計
第四章 計算機輔助設計(CAD)
4.1 計算機輔助設計技術的發展
4.2 CAD技術的基本概念
4.3 CAD常用算法
4.4 CAD/CAM軟件分類
4.5 圖形標準簡介
第五章 計算機輔助造型(CAS)
5.1 計算機輔助造型
5.2 虛擬現實設計(VRD)
第三篇 汽車計算機輔助工程分析
第六章 計算機輔助工程分析(CAE)
6.1 結構分析
6.2 振動、噪聲和不平順性(NVH)分析
6.3 汽車零部件分析
6.4 汽車性能模擬分析
6.5 汽車模擬碰撞分析
6.6 系統綜合
6.7 汽車產品開發中應用CAE的效果
第七章 汽車計算機輔助測試方法及其設備(CAT)
第四篇 汽車計算機輔助制造
第八章 計算機輔助制造(CAM)
8.1 APT語言與圖像編程
8.2 成組技術
8.3 計算機輔助工藝過程設計(CAPP)
8.4 計算機仿真(ComputerSimulation)
8.5 質量保證
8.6 數控測量
第五篇 計算機集成制造系統
第九章 計算機集成制造系統(CIMS)
9.1 CAD/CAPP/CAM與CIMS
9.2 工程數據庫(EngineeringDataBase)與CIMS
9.3 計算機網絡(ComputerNetwork)與CIMS
9.4 產品模型數據交換標準STEP與CIMS
9.5 CIMS實驗示例
第六篇
展開 科技前線 | 7種CAD新技術，助你步入計算機輔助工程新時代
在我開始研究工程學時，常常把CAD理解為計算機輔助制圖。此后不久，隨著3D建模人員越來越多，該術語逐漸代表了計算機輔助設計。現在，到了2020年，我相信我們已經進入了真正的計算機輔助工程（CAE）時代。
我們現在有了將7種技術集成在一起的3D建模工具。以前這些工具給我們帶來了便利，現在這些工具成為參與我們產品開發過程的某種設計助手。
這種概念讓Andreas Vlahinos得以開創性地利用增材制造（AM）。工程與設計的不同之處在于工程將數學和已建立的力學理論應用于新產品的開發。
七個新興的3D建模工具
拓撲優化和創成式設計
這些工具代表了人工智能（AI）和機器學習（ML）在設計過程中的應用。通過拓撲優化，您可以找到針對工程問題的針對性的解決方案。創成式設計在設計周期的開始就可以提供許多可行的方案。
增材制造
這項技術與3D打印密切相關，可幫助我們制造比傳統減材制造技術更輕巧的零件、更復雜的幾何形狀以及更少的零件。
展開 帶有 Fidelity Pointwise CAE 插件的無限導出格式
2023 年 1 月 29 日? 2 分鐘閱讀
Fidelity Pointwise 生成二維 (2D) 和三維 (3D) 網格，這對于大多數計算機輔助工程 (CAE) 分析過程至關重要。網格被導出到分析軟件以模擬設計；因此，網格和邊界條件的詳細信息必須格式化，以便仿真軟件讀取。
每個計算機輔助工程 (CAE) 程序都有其獨特的文件格式。雖然一些程序可能使用單元面作為它們的主要數據類型，但其他程序喜歡使用單元體積或節點。很少有人將所有數據都放在一個文件中，而其他人則希望將節點、面、單元和邊界條件放在單獨的文件中。Fidelity Pointwise 目前導出 47 種不同的 CAE 文件格式和多種中性文件格式。這 47 種 CAE 格式并不是唯一的；還有很多其他格式！
需要 CAE 插件
CAE 插件允許向 Fidelity Pointwise 添加一個導出器，用于編寫網格和邊界條件信息以創建用戶特定的格式。完整的 CAE 導出器位于 Fidelity Pointwise 的插件文件夾中，它會在 Fidelity Pointwise 啟動時自動加載。CAE 軟件名稱在 CAE Select Solver 面板中顯示為一個選項（如圖 1 所示）。可用的邊界條件類型顯示在 CAE 的“設置邊界條件”面板中。使用“文件”、“導出”、“CAE”菜單導出網格時，它會以所選插件定義的本機格式寫入。
圖 1. CAE 菜單提供用于導出網格的選項和工具。
如果不應與公眾共享專有文件格式，則插件很有用。僅與允許訪問它們的用戶共享插件。插件對于擁有自己的 CAE 程序和格式的開發人員也很有用，可以使用 Fidelity Pointwise 編寫他們的本地文件。
創建 CAE 插件
開發插件并不適合所有人。它需要一些編程技能和計算機上的開發環境。
展開 交通運輸系統計算機輔助工程
第一章 緒論
1.1 道路與交通工程領域內的計算機應用現狀
1.2 計算機技術發展為我們展開的技術發展空間
1.3 行業管理者的思考
1.4 交通信息工程技術人員所需要的知識結構
1.5 本書的閱讀路線
第一篇 基礎理論篇
本篇中第2章的內容是進行交通運輸系統計算機輔助工程研究的技術人員所需要掌握的基礎知識，這些內容對于工作小組集體協作、開發商品化軟件系統具有重要的作用。第3章介紹的數據管理技術，對于以數據為基本處理對象的計算機系統來說，這構成了系統的基礎。針對專業領域的特點，進一步介紹了工程數據庫和數據倉庫的基本理論方法。在第3章中介紹了工程數據庫的應用示例，對于數據倉庫，我們將在第7章中看到其技術的應用。第4章有關計算機網絡技術，主要針對非計算機專業技術人員的需要，圍繞應用技術而展開討論。
展開 精確鑄造成形關鍵技術及計算機輔助工程
清華大學在消失模鑄造工藝、涂料技術、凝固模擬技術、鑄造工藝CAD輔助設計，企業信息化管理等方面給予企業幫助，使產品質量穩步提高，液力變速箱鑄件成品率由原來的30％提高到90％以上。
為了降低生產成本，廠校合作在消失模用泡沫塑料珠粒的國產化方面進行了攻關。試驗使用杭州亞太化學工業有限公司生產的EPS珠粒，通過優化鑄造工藝參數，生產的制動鼓鑄件完全達到質量要求。另外還在較為復雜的變速箱鑄件上試用，EPS與進口共聚物按1:1的比例搭配使用也取得了良好效果。使用由清華大學開發的消失模專用涂料，使用效果良好，代替了進口產品。
在消失模鑄造工藝方面，雙方合作從發泡成型、粘接工藝、涂料、造型緊實工藝、澆注工藝等各個環節，針對碳黑缺陷、變形、粘砂等質量問題，經過反復試驗，根據不同產品特點，選擇和優化各項工藝參數，成功生產了近十個品種的鑄鐵件產品，產品質量良好，尺寸精確，表面光潔，表面粗糙度達到Ral2.5μm 以下。鑄件加工量少，重量減輕，清理工作量少，具有良好的綜合經濟效益。以液力變速箱殼體為例，其重量對比如下表。所生產的消失模鑄件重量比樹脂砂鑄件減輕毛坯重近10kg，尺寸精度達CT7～9，介于樹脂砂鑄件和熔模精鑄件之間。雙方合作進行系統調試，使叉車液壓變速箱殼體鑄件成品率由最初的30%上升到90%以上。在此基礎上總結得到一整套工藝控制要素，隨后投產的幾個灰鐵鑄件均很快達到成品率90%以上，并形成了月產150噸的生產規模。球墨鑄鐵消失模鑄件也實現了批量投產。鑄件表面沒有飛邊毛刺，減輕了鑄件清理的工作量和工人的勞動強度，改善了車間作業環境，顯示出良好的綜合經濟效益和社會效益。
展開 
Moldex3D模流分析之計算機輔助工程產品
Moldex3D 產品概覽
Moldex3D是塑料射出成型產業中的計算機輔助工程領導產品。 Moldex3D擁有一流的分析技術，可協助客戶模擬更廣泛的射出成型應用范圍，來優化產品設計和可制造性，以達到縮短上市時間并提高的產品投資回報率。
特色
? CAD嵌入式前處理
? 高級自動3D網格引擎
? 高解析三維網格技術
? 高效能平行運算
Moldex3D 網格
Moldex3D 網格支持各種不同的網格類型，包括 2D 三邊形及四邊形網格、3D四面體、棱柱體、六面體、voxel (brick)和金字塔型網格。Moldex3D 網格提供多種主流網格方法：純三邊形表面、以四面體為主的表面網格；純四面體網格、邊界層網格、純voxel網格、混合式實體網格及中間面簡化網格。客戶可從中選擇符合自己的特殊模擬需求來建立網格模型。
優勢
? 具有強大的網格劃分技術的前處理工具與支持不同的網格元素型態，以提高實體網格產生效率
? 可以產生純三邊形網格與四邊形為主的表面網格
? 支持自動四面體、邊界層網格、混合實體網格，與voxel型態實體網格
? 可以產生高質量的三維實體網格
? 提供自動檢核與自動修復工具以確保網格質量的分析準確性
? 以下為Moldex3D 網格支持的網格輸/入輸出格式
展開 計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來----（二）現狀
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, ...。
展開 Simcenter Amesim 系統級建模軟件
為了向此類工程轉型提供支持，Simcenter 提供多個級別的理念，能夠助您簡化用戶體驗，提高設計效率。憑借物理建模方面的多功能性，以及特有的專用特征，您將能夠為汽車、飛機、挖掘機、輪船以及任何其他工業應用確立極其有效的工程設計流程。無論是從組件還是到整個系統，我們都能為您提供重點關注工程挑戰的工具，并且支持您利用可用數據迅速應對這些挑戰。
產品特色
1、物理多域系統的仿真
2、廣泛的應用和物理領域
3、汽車，航空航天和非公路專用解決方案
4、穩態和瞬態分析
5、線性和非線性系統
6、輸入/輸出分析
7、參數敏感性分析
8、振動和階次分析
9、時域和頻域分析
10、具有MIL / SIL / HIL和實時功能的測試系統
11、與CAE軟件工具集成（計算機輔助工程）
展開 計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來---（三）發展趨勢
從材料設計到工程/產品設計、集仿真、優化于一體的CAE系統
?隨著計算材料科學的發展，不遠的將來，計算機輔助于材料設計將會納入CAE軟件，實現從材料性能的預測、仿真，到構件與整個產品的設計、性能預測、系統仿真，形成集計算機輔助于材料設計、制備，到工程或產品的設計、仿真、優化于一體的新一代CAE系統。
微機電系統分析
?隨著多物理場、多相、多態介質耦合理論與亞微米、納米科學的發展，以及微機電系統開發的強烈需求，專門用于微機電系統設計計算和系統仿真的CAE 軟件正在開發，不久將會問世。
3.2 性能
?基于超級計算機和計算機群的并行計算CAE系統，
?基于網格計算的CAE系統，
?基于互聯網的集成化與支持協同工作的CAE系統
適應于超級計算機和機群并行計算CAE系統
?每秒千萬億次的計算機與機群系統即將誕生，適應這些大規模并行計算平臺的新型高精度和高效率算法正迅速發展。
?新一代的CAE系統將能夠解算上千萬階級方程組，能夠實現對復雜工程／產品的實時和真三維仿真。
基于網格計算的CAE系統
?互聯網已經將千萬臺各類計算機連接在一起，人們正在開發將互聯網上所有計算機硬件、軟件、數據庫以及連接的實驗設備統一和有效使用的網格計算技術。隨著這一技術的成熟，一定會出現基于網格計算的CAE系統
基于互聯網的集成化與支持協同工作的CAE系統
?隨著分布式對象集成技術和網格計算技術的發展，大型工程和復雜產品開發中實施并行工程，以及研究集團的聯合攻關，未來的用戶將不再需要單一的CAD、CAE、CAM、CAPP、PDM 和ERP產品，它們需要基于互聯網(JAVA)的、具有行業特色的、集成化與支持協同工作的的套裝系統。
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