CAE技术在制造业中的发展

摘 要：制造业和信息化产业是国民经济的支柱产业，CAE仿真技术则是制造技术和信息技术结合的桥梁。CAE仿真技术是21世纪制造业的一项关键性支撑技术。

关键词：CAE；制造業；发展

1 引言

近年来，随着计算机仿真技术的飞速发展，各种各样的仿真软件不断诞生，功能也日渐强大和完善。计算机仿真主要可以分为CAD类（如UG、CATIA、AutoCAD、Solidworks、Pro/E等）、CAE类（有限元软件如Nastran、Abaqus、Hyper-works、Ansys等；CFD软件如Fluent、Star-CD等；还有多体动力学仿真软件Adams等）、CAM类（如Mastercam等）等。其中CAE技术在现代制造业的发展中发挥着重要作用。

2 CAE的概念及其发展历程

CAE（Computer Aided Engineering）从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。

20世纪60-70年代，有限元技术主要针对结构分析进行发展，以解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。世界上CAE的三大公司先后成立，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。

1963年MSC公司成立，开发称之为SADSAM （Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）结构分析软件。1965年MSC参与美国国家航空及宇航局（NASA）发起的计算结构分析方法研究，其程序SADSAM更名为MSC/ Nastran。

1967年Structral Dynamics Research Corporation（SDRC）公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商用有限元分析软件Supertab（后并入I-DEAS）。

1970年Swanson Analysis System，Inc.（SASI）公司成立，后来重组后改为称ANSYS公司，开发了ANSYS软件。

20世纪70-80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件公司相继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的MARC公司；致力于机械系统仿真软件开发的MDI公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的CSAR公司；致力于结构、流体及流固耦合分析的ADIND公司等等。

在这个时期，有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场（如温度场、电磁场、声波场等）的分析，从线性分析向非线性分析（如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。从软件结构和技术来说，这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件，其数据管理技术尚存在一定的缺陷，运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。

进入20世纪90年代以来，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，使得CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要，它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。

3 CAE在制造业应用现状

目前，CAE软件在国内主要应用于汽车、电子、航空航天、土木工程、石油等行业，在汽车行业的应用尤为广泛。软件的类型主要包括通用前后处理软件、通用有限元求解软件和行业专用软件。汽车行业在国外是有限元软件的主要应用行业，其所涉及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。

国内常见的前后处理软件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，这些软件在美国的汽车厂商中都有着广泛的应用。这些前后处理软件都具有良好的接口，可与众多的有限元求解软件相结合，以便用户更快、更方便地解算问题。

近年来，分析软件正朝着多物理场的方向发展。例如，ANSYS公司收购CFX流体软件，并加强与EMSS公司的合作，不断加强其多物理场耦合的功能。同源于SAP的ADINA在流固耦合上则非常有特色。由于解算多物理场问题更多是从物理方程出发，因此另外还有一些软件在这方面有着良好的应用，比如MathWorks公司在数值计算软件MATLAB基础上发展起来的FEMLAB，又如国内飞箭公司针对微分方程的FEPG系统。

此外，专用有限元软件受其应用领域的限制，只能在各自的行业领域得到应用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列铸造软件，可进行各种金属材料浇铸、流动性、固化、压力、应力、温度及热平衡的仿真分析。工程师可根据计算结果更改设计，调整帽口的位置和数量，进而提高铸造质量。法国ESI公司的ProCAST，软件功能与MAGMA大同小异。另外还有在锻造领域应用比较多的Deform系统，也得到了国内很多企业的认可。

在板材成型行业里，有AUTOFORM系列软件，该软件单元架构基于膜单元形式，因此其运算速度在同行业内相对较快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流动性分析可直观地预测出冲压件厚度及应力分布、开裂和皱褶的形成等。另外，来自ETA公司的DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、划痕和回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。由于这一类分析工作与模具设计有着非常大的关联，因此以上这些软件都注重与CAD软件的接口，基本都与流行的三维设计软件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有着良好的接口，软件的使用操作也都比较方便。

另外，在汽车行业应用中，经常要对整车进行机械动力学仿真，在这一领域中，国内常见的软件有MSC/ADAMS。其被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。另外在国内应用比较广泛的还有美国ETA公司的VPG（Virtual Proving Ground）虚拟试验场。

从总体上讲，CAE技术的发展趋势是变量化、智能化、三维化、集成化、网络化和标准化。

4 结束语

制造业是国民经济的支柱产业，在制造业中应用CAE技术最直接的效果是缩短研发时间和成本，使设计人员通过现有的知识对产品实现过程作出可靠的预测，大大促进了产品设计、过程设计、过程运行，甚至企业管理水平的提高。

作者简介

姜兰兰（1978—），女，山东威海市人，硕士，现就职于山东东营职业学院，讲师，主要从事机械设计与自动化方面的教学、研究工作。