CAE的现状和未来-崔俊芝院士分析.ppt

计算机辅助工程（）的现 状和未来 摘 要 计算机辅助工程 （ CAE） 是一种迅速 发展的信息技术 ， 是实现重大工程和工 业产品的计算分析 、 模拟仿真与优化设 计的工程软件 ， 是支持工程科学家进行 创新研究和工程师进行创新设计的 、 最 重要的工具和手段 。 本报告将扼要叙述 CAE技术及其软件的现状 ， 并展望最近十 年的发展趋势 。 一概 述 计算机辅助工程（ CAE)，从字面上 讲它包括工程和制造业信息化的所有方 面，但是传统的 CAE主要指用计算机对 工程和产品的功能 、 性能与安全可靠性 进行计算 、优化设计 ，对未来的工作状 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 未来工程 /产品的可用性与可靠性。 工程师进行创新设计的重要手 段和工具 工程和制造企业的生命力在于工 程 /产品的创新，而对于工程师 来说，实现创新的关键，除了设 计思想和概念之外，最主要的技 术手段，就是采用先进可靠的 CAE软件 . 科学家进行创新研究的重要手 段 科学计算是现代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 家揭示用物质实验手段尚不能表现的科 学奥秘和科学规律。 同时，它也是工程科学家的研究成果 -理 论、方法和科学数据 -的归属之一，做成 软件和数据库，成为推动工程和社会进 步的最新生产力。 CAE软件是迅速发展中的计 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 科学和技术相结合，而形成的一 种综合性、知识密集型信息产品。 CAE软件分类 针对特定类型的工程 /产品所开发的用于 产品性能分析、预测和优化计算的软件， 称为专用 CAE软件。 可以对多种类型的工程 /产品的工程行为 进行计算分析，模拟仿真，性能预测、 评价与优化的软件，称为通用 CAE软件。 通用 CAE软件主要由有限元软件 、优化 设计软件、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。 CAE技术已经成熟， CAE软件的可 用性、可靠性和计算效率问题已经 基本解决。 CAE与 CAD / CAM CAPP PDM / ERP软件一起，已经成为企业家和 工程师们实现工程 /产品创新的得力 助手和有效工具。同时，也已成为 专家、教授进行研究重要手段。 CAE与 CAD CAM CAPP PDM ERP一起，已经成为支持工程行业和 制造企业信息化的重要技术，它们已经 在提高工程 /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，成为实现工程 /产品创新的支撑 技术。 发展趋势 扩充 CAE功能，实现多结构耦合分 析，实现多物理场耦合分析，多尺 度耦合分析，以及结构、构件及其 材料的一体化设计计算与模拟仿真。 基于 Internet/Intranet = Grid Computing 的 、 CAD CAE CAM / CAPP PDM / ERP的集成化 、 网 络化、 智能化 。 二现 状 计算机辅助工程计算起源于五十年代 中期 。 实用的 CAE软件诞生于七十年代初期 。 从七零年到八五年的十五年 ， 是 CAE 软件的功能和算法的扩充和完善期 ， 到 八十年代中期 ， 逐步形成了商品化的通 用和专用 CAE软件 。 到八十年代后期国际上知名的 CAE 软件有 NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN 3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、 FASTRAN 等。 国内的 CAE软件主要是 JIFEX, FEM, FEPS等。 它们都是采用结构化软件设 计方法 、用 FORTRAN语言和数 据文件管理技术，开发的结构化 软件。 近十五年 CAE的发展，不仅是 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 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 大都采用了面向对象的软件技术和 C+语言。 近十五年 CAE软件发展很快， 目前市场上的 CAE软件，在功能、 性能、可用性 可靠性方面，基 本上满足了用户的需求，它们可 以运行在超级并行机，大、中、 小、微等各类计算机系统上。 通用 CAE的算法与软件模块 前处理 三维实体建模与参数化建模， 构件的布尔运算， 有限元自动剖分与节点自动编号， 节点参数自动生成， 荷载与材料数据输入与公式化导入， 节点荷载自动生成， 有限元模型信息自动生成 有限元分析 有限单元库， 材料库及相关算法库， 约束处理算法， 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 模块库， 单元内物理场计算等 , .。 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 限元分析可以分解成若干个子问题子系统 : 线性静力分析子系统 , 动力及高速碰撞分析子系统 , 振动模态分析子系统 , 非线性分析子系统 , 多体耦合与接触分析子系统 , 热分析与热 -力耦合分析子系统 CAE软件的计算分析与模拟仿真能力 ， 主要决定于单元库和材料库的丰富和完 善程度 ， 单元库包含的单元类型越多 ， 材料库包括的材料特性种类越全 ， 其对 工程 /产品的分析与仿真能力就越强 。 知名 CAE软件的单元库一般都有百余 种单元 ， 并拥有一个比较完善的材料库 。 CAE软件的计算效率和计算结果的 精度，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， 那它就会对不同类型、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。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、 几十倍，甚至几百倍的差异，特别是在 并行计算机环境下运行。 后处理 有限元分析结果的数据平滑， 各种物理量的加工与显示， 根据设计要求对工程 /产品按工程规范 进行设计数据检验， 优化设计， 配筋设计与绘制设计图， . 前后处理是近十多年发展最快的 CAE软件成份，它们是 CAE软件满足用 户需求，使通用软件专业化、属地化， 并实现与 CAD、 CAM、 CAPP、 PDM等 软件无缝集成的关键成份； 通过 增加面 向行业的数据处理和优化算法模块 实现 了特定行业的有效应用 . ANSYS软件通过 增设与 CAD 软件的 接口模块，实现了与 Pro/Engineer， CADDS， Unigraphic， Solidedge， CADIA， Solidworks， MDT以及 SolidDesigner， MicroStation等软件的有 效集成。 2021/1/27 用户界面 用户界面包括交互式图形界面， 数据导入与导出宏命令 , CAE相关的 GUI图符， 智能化用户界面支持系统 (专家系统）。 有些 CAE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 析流程，判断分析结果等，使用户使用 CAE软件，就像使用“傻瓜”相机一样， 具有一按即得的功效。 国产的“傻瓜”型机械 CAE软件已经 闻世两年。 数据管理系统与数据库 不同的 CAE软件采用的数据管理技术 不同：文件管理系统，关系型数据库管 理系统，面向对象的工程数据库管理系 统等； 数据库：标准构件库，典型工程产 品的结构 图形库，常规材料特性数据库， 相关的国家国际标准与规范库，以及 有关的知识库等 。 数据管理系统和数据库已经成为大型 应用软件实现系统集成的核心，它们为 CAE软件的功能扩充，实现与 CAD、 CAM 软件的连接运行奠定了基础。 数据管理系统和数据库的优劣，对大 型 CAE软件的运行效率影响极大。统计 资料表明， CAE软件在运行中， 70左 右的时间是在进行数据交换。 目前国际上先进 CAE软件功能 静力和拟静力的线性与非线性分析 线性与非线性动力分析 稳态与瞬态热分析 电磁场和电流分析 流体计算 声场与波的传波计算， 。 静力和拟静力的线性与非线性分析 各种单一和复杂组合结构的弹性、 弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变 形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及 多体弹塑性接触在内的变形与应力应变 分析。 线性与非线性动力分析 各种动荷载、爆炸与冲击荷载作用下 的时程分析， 振动模态分析， 交变荷载与谐波响应分析， 随机地震荷载及随机振动分析， 屈曲与稳定性分析等。 稳态、瞬态热传导与热 -力耦合 分析 热传导分析， 对流和幅射状态下的热分析， 相变分析， 热 /结构耦合分析， 。 电磁场和电流分析 静态和交变态的电磁场分析， 电流与压电行为分析， 电磁 /结构耦合分析， .。 流体计算 常规的管内和外场的层流与端 流分析， 热 /流耦合分析， 流 /固耦合分析， .。 声场与波的传波计算 静态和动态声场及噪声计算， 固体、流体和空气中波的传播 计算， .。 伴随着 CAE的发展， CAE 与 CAD/CAM /CAPP/PDM 一起已经形成 了一个包括研究、开发、营销、咨询、 培训服务在内的软件产业，这是一个对 工程和产品制造业的技术创新有重大影 响的软件产业，它已经并会继续对国民 经济的发展做出重要贡献。 三发 展 趋 势 功能 性能 软件技术 用户界面与智能化 网络化与 CAE网上链锁店 3.1 功能 可变形体与多体耦合分析， 多相多态介质耦合分析， 多物理场耦合分析， 多尺度耦合分析， 从材料设计到工程 /产品设计、集仿真与 优化于一体的 CAE系统， 微机电系统分析。 可变形体系与多体耦合分析 形体变化与荷载并发状态下可变形体系 的动力与振动分析。例如，卫星天线、 机器人、起落架。 多体耦合状态下的静力、动力与振动分 析：多体接触分析，多体耦合动力分析 与多体耦合振动分析。例如，车辆与路 轨，车辆与桥梁等。 多相多态介质耦合与多物理场耦 合分析 复杂的工程 /产品大都是处在多物理场与多 相多态介质非线性耦合状态下工作，其行为绝非 是多个单一问题的迭加。 多物理场（力场、渗流场、温度场、 电磁场等）非线性耦合分析， 多相与多态（流、固、气）介质耦合 分析。 多尺度耦合分析 从基本材料的组份与构造到复合材料，从 复合材料做成构件，再由构件装配成工程 /产品， 存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象；不 同的尺度服从于不同的物理、力学模型；通过 对宏观模型的细分，不能导致细观和微观模型； 相反，通过微观和细观模型的无限迭加，也难 导致宏观模型。因此，在工程 /产品的精细分析 中，客观地会遇到多尺度模型的耦合问题。目 前的 CAE软件，都是仅限于宏观物理、力学模 型的工程 /品分析。 对于多物理场的强耦合问题、多相多态介质耦 合问题，特别是多尺度耦合问题，目前尚没有 成熟可靠的理论，尚处于基础性前沿研究，它 们已经成为国内外科学家主攻的目标，由于其 强烈的工业背景，基础研究的任何突破，都会 被迅速纳入 CAE软件，以支持新兴工程 /工业 产品的技术创新。 从材料设计到工程 /产品设计、集 仿真、优化于一体的 CAE系统 随着计算材料科学的发展，不远的 将来，计算机辅助于材料设计将会纳入 CAE软件，实现从材料性能的预测、仿 真，到构件与整个产品的设计、性能预 测、系统仿真，形成集计算机辅助于材 料设计、制备，到工程或产品的设计、 仿真、优化于一体的新一代 CAE系统。 微机电系统分析 随着多物理场、多相、多态介质耦合理 论与亚微米、纳米科学的发展，以及微 机电系统开发的强烈需求，专门用于微 机电系统设计计算和系统仿真的 CAE 软 件正在开发，不久将会问世。 3.2 性能 基于超级计算机和计算机群的并行计算 CAE系统， 基于网格计算的 CAE系统， 基于互联网的集成化与支持协同工作的 CAE系统 适应于超级计算机和机群并行 计算 CAE系统 每秒千万亿次的计算机与机群系统即 将诞生，适应这些大规模并行计算平台 的新型高精度和高效率算法正迅速发展。 新一代的 CAE系统将能够解算上千万 阶级方程组，能够实现对复杂工程产 品的实时和真三维仿真。 基于网格计算的 CAE系统 互联网已经将千万台各类计算机 连接在一起， 人们正在开发将互联 网上所有计算机硬件、软件、数据 库以及连接的实验设备统一和有效 使用的 网格计算技术 。随着这一技 术的成熟，一定会出现基于网格计 算的 CAE系统 基于互联网的集成化与支持协 同工作的 CAE系统 随着分布式对象集成技术和网格计算 技术的发展，大型工程和复杂产品开发 中实施并行工程，以及研究集团的联合 攻关，未来的用户将不再需要单一的 CAD、 CAE、 CAM、 CAPP、 PDM 和 ERP产品，它们需要基于互联网 (JAVA) 的、具有行业特色的、集成化与支持协 同工作的的套装系统。 大型工程和复杂产品，例如发电厂 化工厂 飞机 轮 船及机车车辆等， 它们由数万到数百万个构件和数以千计 的设备组成，其设计 分析 安装模拟 和运行过程仿真，都要涉及数个到数十 专业领域的专业技术人员。因此，基于 Internet和 Grid computing的异地 异构 系统下的 计算分析，实现对大型工程 复杂产品的全面分析和运行仿真，将成 为 CAE的另一个重要发展方向。 3.3 软件技术 真三维图形处理与虚拟现实， 基于 Internet和 Grid computing的面向对 象的工程数据库管理系统及工程数据库。 真三维图形处理与虚拟现实 随着 DSP芯片的发展，计算机图形处 理能力近年有了上百倍的提高，再加上 三维图形算法、图形运算和参数化建模 的发展，快速真三维的虚拟现实技术已 经成熟。因此 , CAE软件的三维实体建 模，复杂的静态、动态物理场的虚拟现 实技术将会有大发展。 基于 Internet和 Grid computing 的面向对象的工程数据库管理系统及 工程数据库 高性能价格比的大容量的存贮器 及其高速存取技术在迅速发展， PC机的 硬盘容量很快将由 GB达到 TB量级。 用户将要求把更多的计算模型、设 计方案、标准规范和知识性信息纳入 CAE软件的数据库中。 Internet和 Grid computing环境下的数据 库管理系统，必须能够管理多用户并发 存取的 、 与时间空间相关的 、 大量 非结构化的 、各 种类型的数据。 高性能的 、 基于网格环境的 、 面向对象 的工程数据库管理系统将会出现在新一 代的 CAE软件中。 Internet和 Grid computing环境下的数据 库管理系统应该具有关系型数据库，面 向对象数据库及其管理技术的优点，支 持抽象数据模型定义，分布式 、异构、 虚拟计算环境与多用户并发 I/O状态下的 数据管理， Internet和 Grid computing环 境下的高级存储与查询语言，访问权限 与数据所有权的保护，异构数据库的时 / 空一致性和有效性检验，系统异常状态 下的数据一致性恢复等。 3.4 用户界面 多媒体用户界面 智能化用户界面 多媒体用户界面 计算机图形技术正在迅猛发展，狭 义的语音输入输出已成现实，计算机 视觉系统已能在一定范围内分析体态、 眼神和手势，隐含信息请求的数据发掘 技术也已冒泡，会听、看、说、写和学 习的计算机即将闻世，这些多媒体技术 一定会使未来 CAE软件的用户界面具有 更强的直观、直感和直觉性，给用户带 来极大便利 智能化用户界面 CAE软件是一个多学科交叉的、综 合性的知识密集型产品，它由数百到数 千个算法模块组成，其数据库存放着众 多的设计方案、标准构件，行业性的标 准、规范，以及判定设计和计算结果正 确与否的知识性规则。 怎么使用软件？怎么判定计算结果？ 支持用户有效地使用这些软件的专家系 统，将成为用户界面的重要组成部分。 3.5 集成化、 专业化与属地化 目前多数还是 单一、孤岛式的 CAD、 CAE、 CAM、 PDM产品， 集成化程 度不高。 随着实施并行工程，加入 WTO和互 联网的发展，科研人员和中、小企 业用户将不再需要单一的 CAD、 CAE、 CAM、 PDM产品。他们需要 具有专业特色的、集成化的套装支 持系统。 满足专业化属地用户的需求，即国 外 CAD CAE CAM PDM 软件 中国化，以及中国出口软件的属地 化，应该成为 CAE软件开发商的经 营之道。 实现初级集成化的若干途径 直接的桥式软部件连接 共享数据库桥式软部件连接 建立基于 Internet的、可支持二 次开发的智能化信息交换平台。 力元智能信息交换协作平台 信息传输与交换平台， 企业应用集成平台， 协同工作平台。 （端口池，数据传感器） 3.6 CAE网上链锁店 随着互联网的普及， 网格计算的发 展， 宽带通信技术的突破，通信、广播 和计算机三网合一的步伐定会加快，一 个完全信息化的、充满着虚拟色彩，而 又实实在在的新时代即将到来，它将改 变现代人的工作、学习、交往和娱乐方 式，实现处处可以学习，处处可以工作。 立足于全社会的网络环境，建立专业化 的 CAE网上链锁店，实施网上经销、网 上培训与咨询服务，以及计算量大的工 程计算网上运行，使用户能够进行多专 业 异地 协同 并行地设计与分析， 实施工程与产品创新，必将成为 CAE软 件业的一个发展方向 这种网上链锁店能否生存，关键在 于能否建立一个自适应于当前社会环境 的、实现知识产权保护和合理付费的机 制，这种机制应该保证软件与数据产权 的拥有者，能够依据合同条款从使用者 那里获得合理的收益，并给用户提供一 个方便地调用软件和访问数据，以及方 便合理的付费途径。 这不是一个技术性难题，而是一个 涉及到观念和法律的问题； 社会需求和潜在的巨额利润，会刺 激有志之士，摸着石头过河，一步步地 解决这个难题，使 CAE网上链锁店走上 兴旺发达之路。 ANSYS公司已经和 HP、 EAI合作创 建了一种针对 ANSYS的网上经销服务体 系。 工程和产品创新为 CAE 发展 提供了强大的动力，信息技术的飞 速发展为 CAE技术的提升提供了技 术基础。 CAE技术将会随着工程科 学的迅速发展而有一个更为辉煌灿 烂的明天。