計(jì)算機(jī)輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問題為背景,建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面,CAE技術(shù)的應(yīng)用,使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題,通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答;另一方面,計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化,使復(fù)雜的過程層次化,節(jié)省了大量的時(shí)間,避免了低水平重復(fù)的工作,使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用,同時(shí)CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展,技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。
在影響計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)發(fā)展的諸多因素中,人才、計(jì)算機(jī)硬件和分析軟件是三個(gè)最主要的方面。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,已經(jīng)為CAE技術(shù)奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。多年來,重視CAE技術(shù)人才的培養(yǎng)和分析軟件的開發(fā)和推廣應(yīng)用,發(fā)達(dá)國家不僅在科技界而且在工程界已經(jīng)具有一支較強(qiáng)的掌握CAE技術(shù)的人才隊(duì)伍,同時(shí)在分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用方面也達(dá)到了較高水平。
美國于1998年成立了工程計(jì)算機(jī)模擬和仿真學(xué)會(huì)(Computer Modeling and Simulation in Engineering),其它國家也成立了類似的學(xué)術(shù)組織。各國都在投入大量的人力和物力,加快人才的培養(yǎng)。正是各行業(yè)中大批掌握CAE技術(shù)的科技隊(duì)伍推動(dòng)了CAE技術(shù)的研究和工業(yè)化應(yīng)用,CAE技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的科學(xué)研究,并普遍應(yīng)用于實(shí)際工程問題,在解決許多復(fù)雜的工程分析方面發(fā)揮了重要作用。
國外對(duì)CAE技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用真正得到高速的發(fā)展和普遍應(yīng)用則是近年來的事。這一方面主要得益于計(jì)算機(jī)在高速化和小型化方面取得的成就,另一方面則有賴于通用分析軟件的推出和完善。早期的CAE分析軟件一般都是基于大型計(jì)算機(jī)和工作站開發(fā)的,近年來PC機(jī)性能的提高,使采用PC機(jī)進(jìn)行分析成為可能,促使許多CAE軟件被移植到PC機(jī)上應(yīng)用。這顯然對(duì)CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用極為有利。
衡量CAE技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前,一些發(fā)達(dá)國家在這方面已達(dá)到了較高的水平,僅以有限元分析軟件為例,國際上不少先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件的開發(fā)已達(dá)到較成熟的階段并已商品化,如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。這些軟件具有良好的前后處理界面,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程分析以及線性和非線性分析等多種強(qiáng)大的功能,都通過了各種不同行業(yè)的大量實(shí)際算例的反復(fù)驗(yàn)證,其解決復(fù)雜問題的能力和效率,已得到學(xué)術(shù)界和工程界的公認(rèn)。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機(jī)械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業(yè)設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言,西方發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結(jié)合,使企業(yè)能對(duì)現(xiàn)代市場產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、可*性、經(jīng)濟(jì)性等做出迅速反應(yīng),增強(qiáng)了企業(yè)的市場競爭能力。在許多行業(yè)中,計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造流程中不可逾越的一種強(qiáng)制性的工藝規(guī)范加以實(shí)施。如,以國外某大汽車公司為例,絕大多數(shù)的汽車零部件設(shè)計(jì)都必須經(jīng)過多方面的計(jì)算機(jī)仿真分析,否則根本通不過設(shè)計(jì)審查,更談不上試制和投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬現(xiàn)在已不僅僅作為科學(xué)研究的一種手段,在生產(chǎn)實(shí)踐中也已作為必備工具普遍應(yīng)用。
2.中國CAE技術(shù)現(xiàn)狀
隨著中國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高,計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)也在中國蓬勃發(fā)展起來??萍冀绾驼闹鞴懿块T已經(jīng)認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)對(duì)提高中國科技水平,增強(qiáng)中國企業(yè)的市場競爭能力乃至整個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。近年來,中國的CAE技術(shù)研究開發(fā)和推廣應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績。但從總體來看,研究和應(yīng)用的水平還不能說很高,某些方面與發(fā)達(dá)國家相比仍存在不小的差距。從行業(yè)和地區(qū)分布方面來看,發(fā)展也還很不平衡。
目前,ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進(jìn)中國,在汽車、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用,而且中們?cè)谀承╊I(lǐng)域的應(yīng)用水平并不低。不少大型工程項(xiàng)目也采用了這類軟件進(jìn)行分析。中國已經(jīng)擁有一批科技人員在從事CAE技術(shù)的研究和應(yīng)用,取得了不少研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),使中們?cè)贑AE技術(shù)方面緊跟住現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是,這些研究和應(yīng)用的領(lǐng)域以及分布的行業(yè)和地區(qū)還很有限,現(xiàn)在還主要局限于少數(shù)具有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的大型企業(yè)、部分大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。
中國的計(jì)算機(jī)分析軟件開發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),嚴(yán)重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。在CAE分析軟件開發(fā)方面,中國目前至少落后于美國等發(fā)達(dá)國家十年。計(jì)算機(jī)軟件是高技術(shù)和高附加值的商品,目前的國際市場為美國等發(fā)達(dá)國家所壟斷。僅以有限元計(jì)算分析軟件為例,目前的世界年市場份額達(dá)5億美元,并且以每年 15%的速度遞增。相比之下,中國自己民族的軟件工業(yè)還非常弱小,僅占有很少量的市場份額。作為一個(gè)國家,一個(gè)民族不能長期依賴于引進(jìn)外國的技術(shù)和產(chǎn)品,因此中們必須加大力度開發(fā)自己的計(jì)算機(jī)分析軟件,只有這樣才能改變?cè)诩夹g(shù)上和經(jīng)濟(jì)上受制于人的局面。
中國的工業(yè)界在CAE技術(shù)的應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家相比水平還比較低。大多數(shù)的工業(yè)企業(yè)對(duì)CAE技術(shù)還處于初步的認(rèn)同階段,CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)碾y度。這是因?yàn)?,一方面中們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)分析軟件,另一方面大量缺乏掌握CAE技術(shù)的科技人員。對(duì)于計(jì)算機(jī)分析軟件問題,目前雖然可以通過技術(shù)引進(jìn)以解燃眉之急,但是,國外的這類分析軟件的價(jià)格一般都相當(dāng)貴,國內(nèi)不可能有很多企業(yè)購買這類軟件來使用。而人才的培養(yǎng)則需要一個(gè)長期的過程,這將是對(duì)中國CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重影響的一個(gè)制約因素,而且很難在短期內(nèi)有明顯的改觀。提高中國工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平,將 CAE 技術(shù)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)與制造過程還是一項(xiàng)相當(dāng)艱巨的工作。