计算机辅助工程(CAE)的现状和未来.ppt

1、计算机辅助工程（）的现计算机辅助工程（）的现状和未来状和未来崔俊芝崔俊芝中国工程院院士本报告受到国家自然科学基金项目（2005CB321704,90405016和10590353）资助2022/11/102022/11/10摘摘 要要 计计算算机机辅辅助助工工程程（CAE）是是一一种种迅迅速速发发展展的的信信息息技技术术，是是实实现现重重大大工工程程和和工工业业产产品品的的计计算算分分析析、模模拟拟仿仿真真与与优优化化设设计计的的工工程程软软件件，是是支支持持工工程程科科学学家家进进行行创创新新研研究究和和工工程程师师进进行行创创新新设设计计的的、最最重重要要的的工工具具和和手手段段。本本报报

2、告告将将扼扼要要叙叙述述CAECAE技技术术及及其其软软件件的的现现状状，并并展展望望最最近近十十年的发展趋势。年的发展趋势。2022/11/102022/11/10计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE)，从字面上，从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方讲它包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的面，但是传统的CAE主要指用计算机对主要指用计算机对工程和产品的功能工程和产品的功能、性能与安全可靠性性能与安全可靠性进行计算进行计算、优化设计、优化设计，对未来的工作状，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实设计

3、缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程未来工程/产品的可用性与可靠性。产品的可用性与可靠性。2022/11/102022/11/10工程和制造企业的生命力在于工工程和制造企业的生命力在于工程程/产品的创新，而对于工程师产品的创新，而对于工程师来说，实现创新的关键，除了设来说，实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，就是采用最计思想和概念之外，就是采用最现代化的设计工具和技术手段，现代化的设计工具和技术手段，即先进可靠的即先进可靠的CAE软件软件.2022/11/102022/11/10CAE软件还是科学家进行科学和技术研软件还是科学家进行科学和技术研究的三大手段之一。它可以帮助科学家究的三大手

4、段之一。它可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能表现的科学揭示用物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律。奥秘和科学规律。它也是工程科学家的研究成果它也是工程科学家的研究成果-理论、理论、方法和科学数据方法和科学数据-的归属之一，做成软的归属之一，做成软件和数据库，成为推动工程和社会进步件和数据库，成为推动工程和社会进步的最新生产力。的最新生产力。2022/11/102022/11/10CAE软件是迅速发展中的计软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一科学和技术相结合，而形

5、成的一种综合性、知识密集型信息产品。种综合性、知识密集型信息产品。2022/11/102022/11/10 CAE软件分类软件分类针对特定类型的工程针对特定类型的工程/产品所开发的用于产产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化计算的软件，称为品性能分析、预测和优化计算的软件，称为专用专用CAE软件。软件。可以对多种类型的工程可以对多种类型的工程/产品的性能和行为产品的性能和行为进行性能预测、计算分析，模拟仿真，评价进行性能预测、计算分析，模拟仿真，评价与优化的软件，称为通用与优化的软件，称为通用CAE软件。软件。通用通用CAE软件主要由有限元软件软件主要由有限元软件、优化设计、优化设计软件、计

6、算流体软件、电磁场计算软件、最软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最优控制软件和其它专业性的计算软件组成。优控制软件和其它专业性的计算软件组成。2022/11/102022/11/10CAE与与CADCAMCAPPPDMERP一起，已经成为支持工程行业和制造企一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，它们已经在提高业信息化的主导技术，它们已经在提高工程工程/产品的设计质量，降低研究开发成产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，本，缩短开发周期方面发挥了重要作用，成为实现工程成为实现工程/产品创新的支撑技术。产品创新的支撑技术。2022/11/102022/

7、11/10CAE是迅速发展中的信息技术：是迅速发展中的信息技术：实现多体耦合分析、多物理场耦合分析以实现多体耦合分析、多物理场耦合分析以及多目标优化设计；及多目标优化设计；实现多尺度和多模型耦合分析，以及结构、实现多尺度和多模型耦合分析，以及结构、构件及其材料的一体化设计与模拟仿真；构件及其材料的一体化设计与模拟仿真；基于巨型并行机群系统、基于巨型并行机群系统、Internet、Grid Computing 的高性能的计算机辅助工程；的高性能的计算机辅助工程；CAE 与与CADCAM/CAPPPDM/ERP的集成化的集成化、网络化、智能化。网络化、智能化。2022/11/102022/11/1

8、0一现一现 状状 计计算算机机辅辅助助工工程程起起源源于于上上个个世世纪纪五五十十年年代中期。代中期。实实用用的的CAE软软件件诞诞生生于于上上个个世世纪纪七七十十年年代初期。代初期。从从上上个个世世纪纪七七零零年年到到八八五五年年的的十十五五年年，是是CAE软软件件的的功功能能和和算算法法的的扩扩充充和和完完善善期期，到到八八十十年年代代中中期期，逐逐步步形形成成了了商商品品化的通用和专用化的通用和专用CAE软件。软件。2022/11/102022/11/10 到到上个世纪上个世纪八十年代后期国际上知名八十年代后期国际上知名的的CAE软件有软件有NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,DY

9、N3D,MARC,ASKA,DYNA,MODULEF、FASTRAN 等。等。国内的国内的CAE软件主要是软件主要是JIFEX,SAP,FEM,FEPS,等。等。2022/11/102022/11/10早期的早期的CAE软件都是采用结构化软件都是采用结构化软件设计方法软件设计方法、用、用FORTRAN 语语言和数据文件管理技术，开发的言和数据文件管理技术，开发的结构化软件。结构化软件。2022/11/102022/11/10近十五年近十五年CAE的发展，不仅是的发展，不仅是扩充了软件的功能、性能，更重要扩充了软件的功能、性能，更重要的是扩充了用户界面，前、后处理的是扩充了用户界面，前、后处理能

10、力；对数据管理和图形部份，进能力；对数据管理和图形部份，进行了重大的改造。新增的软件成分行了重大的改造。新增的软件成分大都采用了面向对象的软件技术和大都采用了面向对象的软件技术和C+语言。语言。2022/11/102022/11/10近十五年近十五年CAE软件发展很快，目软件发展很快，目前市场上的前市场上的CAE软件，在功能、性软件，在功能、性能、可用性能、可用性可靠性方面，基本上可靠性方面，基本上满足了用户的当前需求，它们可以满足了用户的当前需求，它们可以运行在超级并行机，大、中、小、运行在超级并行机，大、中、小、微等各类计算机系统上。微等各类计算机系统上。2022/11/102022/11

11、/10通用通用CAE的算法与软件模块的算法与软件模块2022/11/102022/11/10 前处理前处理 三维实体建模与参数化建模，三维实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，构件的布尔运算，有限元自动剖分与节点自动编号，有限元自动剖分与节点自动编号，节点参数自动生成，节点参数自动生成，荷载与材料数据输入与公式化导入，荷载与材料数据输入与公式化导入，节点荷载自动生成，节点荷载自动生成，有限元模型信息自动生成有限元模型信息自动生成,.。2022/11/102022/11/10有限元分析有限元分析 有限单元库，有限单元库，材料库及相关算法库，材料库及相关算法库，约束处理算法，约束处理算法，静力、动

12、力、振动、线性与非线静力、动力、振动、线性与非线性解法库及相应的有限元系统组装性解法库及相应的有限元系统组装模块库，模块库，单元内物理场计算等单元内物理场计算等,.。2022/11/102022/11/10有限元分析子系统有限元分析子系统 根据工程问题的物理、力学和数学特征，有根据工程问题的物理、力学和数学特征，有限元分析可以分解成若干子系统限元分析可以分解成若干子系统:线性静力分析子系统线性静力分析子系统,动力及高速碰撞分析子系统动力及高速碰撞分析子系统,振动模态分析子系统振动模态分析子系统,非线性分析子系统非线性分析子系统,多体耦合与接触分析子系统多体耦合与接触分析子系统,热分析与热热分析

13、与热-力耦合分析子系统力耦合分析子系统,。2022/11/102022/11/10 CAE软软件件的的计计算算分分析析与与模模拟拟仿仿真真能能力力，主主要要决决定定于于单单元元库库和和材材料料库库的的丰丰富富和和完完善善程程度度，单单元元库库包包含含的的单单元元类类型型越越多多，材材料料库库包包括括的的材材料料特特性性种种类类越越全全，对对工工程程/产品的分析与仿真能力就越强。产品的分析与仿真能力就越强。知知名名CAE软软件件的的单单元元库库一一般般都都有有百百余余种单元，种单元，并拥有一个比较完善的材料库。并拥有一个比较完善的材料库。2022/11/102022/11/10 CAE软件的计算

14、效率和结果的精度，软件的计算效率和结果的精度，主要决定于解法库；如果解法库包含了主要决定于解法库；如果解法库包含了各种不同类型的高性能求解算法，它就各种不同类型的高性能求解算法，它就会对不同类型、不同规模的问题，以较会对不同类型、不同规模的问题，以较快的速度和较高的精度给出计算结果。快的速度和较高的精度给出计算结果。先进高效的求解算法与常规的求解算法先进高效的求解算法与常规的求解算法相比，在计算效率上可能有几倍、几十相比，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行计算机环境下运行时。计算机环境下运行时。2022/11/102022/11/1

15、0 后处理后处理 有限元分析结果的数据平滑，有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，各种物理量的加工与显示，根据设计要求对工程根据设计要求对工程/产品按工程规范产品按工程规范进行设计数据检验，进行设计数据检验，优化设计，优化设计，配筋设计与绘制设计图，配筋设计与绘制设计图，.2022/11/102022/11/10前前、后处理是伴随信息技术发展最快的后处理是伴随信息技术发展最快的CAE软件成份，它们是软件成份，它们是CAE软件满足用软件满足用户需求，使通用软件户需求，使通用软件专业化、属地化专业化、属地化，实现与实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等软等软件无缝集成的关键成份件无缝

16、集成的关键成份.2022/11/102022/11/10计算机辅助建筑工程施工计算机辅助建筑工程施工(CAC)计算机辅助橡塑制品成型计算机辅助橡塑制品成型(CAD-Mold)计算机辅助模具设计与加工计算机辅助模具设计与加工计算机辅助工艺优化与机械加工计算机辅助工艺优化与机械加工。2022/11/102022/11/10 用户界面用户界面 用户界面包括交互式图形界面，用户界面包括交互式图形界面，数据导入与导出宏命令数据导入与导出宏命令,CAE相关的相关的GUI图符，图符，智能化用户界面支持系统智能化用户界面支持系统(专家系统）。专家系统）。2022/11/102022/11/10 有些有些CAE软件拥有专用的智能化用户软件拥有专用的智能化用户界面，能够帮助用户选择单元形态，分界面，能够帮助用户选择单元形态，分析流程，判断分析结果等，使用户使用析流程，判断分析结果等，使用户使用CAE软件，就像使用软件，就像使用“傻瓜傻瓜”相机一样，相机一样，具有一按即得的功效。具有一按即得的功效。有限元软件自动生成系统：集开发环境与应用系统（科学与工程计算）于一体的CAE系统。2022/11/102022