CAE 历史与发展概述.doc

TCAE目录1CAE概述1.1 CAE软件分类1.2 CAE技术的发展现状与趋势1.3 CAE 软件结构1.4 目前CAE软件功能2发 展 趋 势3. 主流CAE软件简介1.CAE概述计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）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。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的核心技术是有限元理论和数字计算方法。经过几十年的发展，CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。并随着计算机技术、CAD技术、CAPP技术、CAM技术、PDM技术和ERP技术的发展，CAE技术逐渐与它们相互渗透，向多种信息技术的集成方向发展。CAE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、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、Internet、Grid Computing 的高性能的计算机辅助工程； CAE 与CADCAM / CAPPPDM / ERP的集成化、网络化、智能化。1.1 CAE软件分类从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。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/产品的性能和行为进行性能预测、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与CADCAMCAPPPDMERP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。1.2CAE技术的发展现状与趋势 计算机辅助工程起源于上个世纪五十年代中期。CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自1943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解t.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。自从19631964年Besseling、melosh和Jones等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式，从而使得里兹分析的所有理论基础都适应于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。以此为理论指导，有限元法的应用已由弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题；分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现在CAE技术的框架。 实用的CAE软件诞生于上个世纪七十年代初期。有限元技术的发展经过60多年的发展，有限元技术已趋于成熟，普遍为工程界所接受。并开发了相应的有限元分析软件。这些软件在功能、性能、使用上均达到了比较高的水平。在功能上，影响软件的前处理器可以调用CAD中的几何模型，可以便捷地实现网格划分及自动划分，灵活地施加各类便捷条件，定义材料特性，设置不同的计算工况，对特殊问题实现用户子程序的调用等；求解器带有适合不同问题的求解算法(线性方程组、非线性方程组、特征值等)；后处理器可给出所需要的可视化的技术结果(等值线、等值面、云图、动画等)。性能上，可完成线性于非线性问题、静力与动力问题、多材料、各类边界条件、类工程(机械、电磁、土木等)问题的求解. 结构优化技术的发展结构优化方法中早期采用的是基于直觉的准则法，如满应力准则法、满应变准则法等。20世纪60年代数学规划法引入结构优化设计中，标志着现代优化设计的开始，数学规划法中的复合形法、可行方向法、惩罚函数法等在结构优化设计中得到了广泛的应用。70年代出现了优化准则法，其思想是将设计问题的力学特性与数值方法中的各种近似手段相结合，把高度非线性问题转化为一系列近似的带显示约束问题，然后借助于数学规划法进行求解。80年代以后，结构优化设计开始应用于工程优化设计中，并形成了专门研制的工程优化设计软件。随着计算机技术的发展，工程优化设计软件规模不断扩大，从最初的十几个变量发展上万个变量，从最初的结构尺寸参数优化，到现今的结构形状优化等。目前具有结构优化功能的软件有十多种；如专用的结构优化设计软件SAPOP、ASTROS、OASIS等，其中拥有我国自主版权的DDDU；而在有限元分析软件中带有优化设计功能的软件有ANSYS、MSC.NASTRAN等，还有与CAD相集成的优化设计软件MSC.VisualNastran等。 结构强度与寿命评估的发展由于结构的速度、经济性、耐久性、可靠性的不断提高，以及不断地减轻结构的重量，结构强度与寿命评估变得越来越复杂，越来越重要。用复杂机电产品的选型时，要了解的已不仅是设备的强度指标，还包含设备的使用寿命指标，生产厂家必须向用户回答在什么情况下厂家提供的设备可靠工作多少年。要进行结构强度与寿命评估需要借助于有关的理论、方法、行业上的规范以及材料的数据，这些理论、方法、数据大都是经过大量实验、工程实践总结归纳出来的，国外将这方面的科研成果编制成软件。如MSC.FAUIGUE软件、MSC.MARC软件中的失效与破坏分析模块。由于我国国情不同，尤其是评估的数据库内容的不同，需要有适合我国国情的评估体系/我国在结构强度与寿命评估的理论、方法、规范及其数据库方面也取得了一定进展，但还有很大的差距，目前还没有成熟的软件可供使用，但在CAE系统中有关结构强度与寿命评估的内容是必不可少的。 工程结构动态仿真的发展在CAD造型设计的基础上形成了工程结构的动态仿真，在这方面已推出的软件有ADAMS和WorkingModel等，它们是通用的机械结构仿真软件。ADAMS提供了模拟实际系统运动和动力过程的仿真环境，可以全面地仿真实际制造活动中的结构、信息及制造过程，该软件包括十几个分析模块，其主要功能包括动态模拟与动态分析。动态模拟包括速度、加速度、力响应、效率能量等，动态分析包括动态信号的处理、频谱分析、数字滤波、传递函数的取得等。 从上个世纪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。到上个世纪八十年代后期国际上知名的CAE软件有NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, DYN3D, MARC, ASKA, DYNA, MODULEF、FASTRAN 等;国内的CAE软件主要是JIFEX, SAP, FEM, FEPS, 等. 19601970年，有限元的理论处于发展阶段，分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题，又由于当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点，CAE软件处于探索时期。1963年由Dr. Richard MacNeal和Mr. Robert Schwendle成立了MSC开发了第一个结构分析软件。并于1965年参与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算机结构分析方法研究，其程序业更名为MSC/Nastran.。1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS)。1970年Dr. John A. Swanson成立Swanson Analysis System，Inc.(SASI)后来重组后改称ANSYS公司，开发ANSYS软件。至此世界上的三大公司先后了组建工作，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。时至今日，这三大巨头主导CAE市场的格局基本保持下来。只是在发展方向上，MSC和ANSYS比较专注于非线性分析市场，SDRC则是更偏向于线性分析市场，同时SDRC发展起来了自己的CAD/CAE/PDM技术。 19701980年代是CAE技术蓬勃发展的时期，一方面SDRC，MSC，ANSYS等在技术和应用继续创新外，新的CAE软件迅速成立。1971年MARC公司成立，致力于发展用于高级工程分析的通用有限元程序，而Marc程序重点处理非线性结构和热应力问题。1977年Mechanical Dynamics Inc.(MDI)公司成立，致力于发展机械系统仿真软件。其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。1978年Hibbitt Karlsson & Sorensen, Inc.公司成立，其ABAQUS软件主要应用于结构非线性分析。1983年CSAR成立。其CSA/nastran主要针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。1983年AAC成立，其程序COMET主要用于噪声及结构噪声优化等领域。Computer Aided Design Software，Inc的PolyFEM软件包提供线性静态、动态及热分析。1986年ADINA公司致力于发展结构、流体及流固耦合的有限元分析软件。1987年Livermore Software Technology Corporation成立，其产品LS-DYNA及LS-NIKE30用隐式上算法求解低高速动态特征问题。1988年Flomerics公司成立，提供用于带脑子系统内部空气流及热传递的分析程序。1989年Engineering Software Kessemochand Development公司成立，致力于发展法有限元程序。同时期还有多家专业性软件公司投入专业CAE程序的开发。这一时期的CAE发展的特点：软件主要集中在计算精度、速度和硬件平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。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、磁场、声波场)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，ADINA，SAP系列，DYNAS3D，ABAQUS，NIKE3D与WECAN等。使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。 上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。CAD据说经过三十年的发展，经历了从线框CAD技术到曲面CAD技术，再到参数化技术，直到目前的变量化技术，为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。这期间各CAD软件开发商一方面大力发展自身CAD软件的功能，如世界排名前几位的CAD软件CATIA，CADDS，UG都增加了基本的CAE前后处理及一般的线性、模态分析功能，或者通过并购另外的CAE软件来增加其软件的CAE功能。如PTC对Rasna的收购。在CAD软件商大力增强其软件CAE功能的同时，各大分析软件也在向CAD靠拢。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口，并增强软件的前后处理能力。如MAC/Nastran在1994年收购了Patran作为自己的前后处理软件，并先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样ANSYS也在大力发展其软件的ANSYS/Prepost前后处理功能。而SDRC公司利用I-DEAS自身的CAD功能强大的优势，积极开发与别的CAD模型传输接口，先后投放了Pro/E to I-DEAS，CATIA to/from I-DEAS，UG to/from I-DEAS，CADDS4/5 Solid to/from I-DEAS的前后处理功能，以保证CAD/CAE的相关性。这一时期的CAE软件一方面与CAD软件紧密结合，另一方面扩展CAE本身的功能。MSC先后通过开发、并购，目前旗下拥有10几个产品，如用于非线性瞬态动力问题的MSC/Dytran等。同时ANSYS也把其产品扩展为ANSYS/Mechanical，ANSYS/LS-DYNA，ANSYS/prepost等多个应用软件。而SDRC则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了耐用性、噪声与震动、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等专项应用技术，并将有限元技术与实验技术有机地结合起来，开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。 主要表现为以下几个方面：(1)在产品的工作原理、工作性能、结构已经确定的条件下，通过CAE技术给出产品的最大效能；(2)在产品工作原理不变的前提下，借助于CAE计算分析指导产品结构中某些部分进行修改，以期得到更加优良的性能；(3)对新开发的产品进行仿真分析，验证预期的功能，及时发现设计中的缺陷，使新产品更加有效、可靠。1.3 CAE 软件结构早期的CAE软件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当前需求，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，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，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时。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、后处理是伴随信息技术发展最快的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，实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键成份.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：十五年前主要是文件管理系统，关系型数据库管理系统，目前主要是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的优劣，对大型CAE软件的运行效率影响极大。统计资料表明，在CAE软件运行中，70左右的时间是在进行数据交换。1.4 目前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 声场与波的传播计算 结构优化 多学科优化，。2发 展 趋 势伴随着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、培训服务在内的信息产业，这是一个对工程和产品制造业的技术创新有重大影响的信息产业，它已经并会继续对国民经济发展和国家安全做出重要贡献。 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， 多物理场耦合分析与多目标优化设计， 多尺度耦合分析与材料-结构一体化计算、仿真与优化设计， 微机电系统分析。 CAI 计算机辅助创新技术和工具性能 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。 用户界面与智能化 多媒体用户界面 智能化用户界面网络化与CAE网上链锁店立足于全社会的网络环境，建立专业化的CAE网上链锁咨询店，实施网上经销、网上培训与咨询服务，以及计算量大的工程设计网上协同进行，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，这必将成为CAE软件应用的一个发展方向。3.目前市场上主流的CAE软件厂商及对比在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。 CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料库所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力越强。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。 前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，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CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成分。它们是通过增设CAD软件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。以前处理为例：在前处理软件中，大致分为通用前处理软件，专业前处理软件，专用前处理软件三种。通用前处理软件，如Hypermesh, Ansa, Patran, TSV-Pre等，这些软件有用多种CAD格式接口和CAE求解器接口，适合多种求解类型文件的生成。因此也广泛应用于各个行业。专业前处理软件，如ICEM-CFD和GAMBIT是专业的CFD分析前处理软件。这类软件专门针对一些求解类型添加了特有的功能，使技术人员提高了前处理工作的效率。专用前处理软件，这类软件是求解器厂商，专门为自己的求解器开发的前处理工具，提高了软件的集成性。如Abaqus/CAE, Ansys/workbench 等。3. 主流CAE软件简介1.MSC系列工程分析软件 MSC是全球最大的CAE软件供应商，为满足各种工程应用的需求提供了多种仿真工具。MSC具有超过40%的世界MCAE市场份额，2000多家大用户，覆盖了工程仿真的各个方面，在汽车、军事国防、航空航天、机械制造领域占绝对统治地位。主要产品有： MSC.NASTRAN：大型通用结构有限元分析软件，同时也是工业标准的FEA原代码程序及国际合作和国际招标中工程分析和校验的首选工具；MSC.NASTRAN：图形框架前后处理器；MSC.DYTRAN：瞬态动力学仿真技术；MSC.FATIGUE：专用的耐久性疲劳寿命分析软件系统；MSC.CONSTRUCT：用于拓扑及形状优化的概念化设计软件系统；MSC.MARC：功能齐全的高级非线性结构有限元分析系统；MSC.AKUSMOD：MSC公司与德国SFE公司共同开发的内噪音预测仿真软件；MSC.SUPERFORGE：三维锻造仿真软件；MSC.SUPERFORM：制造过程仿真软件。 2.ANSYS分析软件 ANSYS是最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用。唯一具有中文界面的大型通用有限元软件，能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能，良好的用户开发环境。 软件主要包括前后处理模块和分析计算模块三部分。前处理模块提供实体建模及网格划分工具，以便用户构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 3.ADAMS 美国MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司开发的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是世界上最具权威性的使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品品质及竞