計算機輔助工程

隨着計算機技術及應用的迅速發展，特別是大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現，使計算機圖形學（Computer Graphics，CG）、計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）與計算機輔助製造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技術得以十分迅猛的發展。CAD、CAM已經在電子、造船、航空、航天、機械、建築、汽車等各個領域中得到了廣泛的應用，成為最具有生產潛力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的經濟效益。

計算機技術的迅速發展還推動了現代企業管理的發展，企業管理藉助於管理信息系統的支持與幫助，利用信息控制國民經濟部門或企業的活動，做出科學的決策或調度，從而提高管理水平與效益。企業生產經營活動的各個環節，從工程的立項、簽約、設計、施工（生產），一直到交工（交貨），是一個連續的過程，有機的整體。

計算機輔助技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具。計算機輔助工程分析方法和軟件是關鍵的技術要素之一。計算機輔助工程作為一項跨學科的數值模擬分析技術，越來越受到科技界和工程界的重視。許多大型的CAE分析軟件已相當成熟並已商品化，計算機模擬分析不僅在科學研究中普遍採用，而且在工程上也已達到了實用化階段 ^[1]  。

事實證明，在設計過程中的早期引入CAE來指導設計決策，能解釋因在下游發現問題時需重新設計而造成的時間和費用的浪費，設計人員能將主要精力投身如何優化設計，提高工程和產品品質，從而產生巨大的經濟效益。在現代設計流程中，CAE是創造價值的中心環節。事實上，CAE技術是企業實現創新設計的最主要的保障。企業要在激烈的市場競爭中立於不敗之地，就必須不斷保持產品的創新 ^[1]  。

從廣義上説，計算機輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和製造業信息化的所有方面，但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態和運行行為進行模擬，及早發現設計缺陷，並證實未來工程、產品功能和性能的可用性和可靠性。這裏主要是指CAE軟件 ^[1]  。

CAE軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或產品所開發的用於產品性能分析、預測和優化的軟件，稱之為專用CAE軟件；可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優化，以實現產品技術創新的軟件，稱之為通用CAE軟件 ^[1]  。

CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，FiniteElementAnalysis)軟件。有限元方法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示複雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然後根據變形協調條件綜合求解。由於單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解 ^[1]  。

基於有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化。根據經驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用於模型的建立和數據輸入，50%～55%用於分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只佔5%左右 ^[1]  。

採用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、温度、壓力分佈的等值線圖，表示應用、温度、壓力分佈的彩色明暗圖，以及隨機械載荷和温度載荷變化生成位移、應力、温度、壓力等分佈的動態顯示圖。我們稱這一過程為：CAE的後處理。針對不同的應用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產線、工廠的運動和運行狀態 ^[1]  。

應用CAE軟件對工程或產品進行性能分析和模擬時，一般要經歷以下三個過程：前處理：對工程或產品進行建模，建立合理的有限元分析模型。有限元分析：對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。後處理：根據工程或產品模型與設計要求，對有限元分析結果進行用户所要求的加工、檢查，並以圖形方式提供給用户，輔助用户判定計算結果與設計方案的合理性 ^[1]  。

現行CAE軟件包含以下模塊：

前處理模塊---給實體建模與參數化建模，構件的布爾運算，單元自動剖分，節點自動編號與節點參數自動生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等 ^[1]  。

有限元分析模塊---有限單元庫，材料庫及相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特徵，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等 ^[1]  。

後處理模塊---有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產品設計要求的數據檢驗與工程規範校核，設計優化與模型修改等 ^[1]  。

a)增加設計功能，藉助計算機分析計算，確保產品設計的合理性，減少設計成本 ^[1]  ；

b)縮短設計和分析的循環週期 ^[1]  ；

c)CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程，虛擬樣機作用能預測產品在整個生命週期內的可靠性 ^[1]  ；

d)採用優化設計，找出產品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本 ^[1]  ；

e)在產品製造或工程施工前預先發現潛在的問題 ^[1]  ；

f)模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經費 ^[1]  ；

g)進行機械事故分析，查找事故原因 ^[1]  。

計算機輔助工程是指計算機在現代生產領域，特別是生產製造業中的應用，主要包括計算機輔助設計、計算機輔助製造和計算機集成製造系統等內容。

計算機輔助設計（CAD）在如今的工業製造領域，設計人員可以在計算機的幫助下繪製各種類型的工程圖紙，並在顯示器上看到動態的三維立體圖後，直接修改設計圖稿，極大地提高了繪圖的質量和效率。此外，設計人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計算機進行邏輯模擬，從而代替產品的測試模型（樣機），降低產品試製成本，縮短產品設計週期。

目前，CAD技術已經廣泛應用於機械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工以及建築等行業，成為現代計算機應用中最為活躍的技術領域。

計算機輔助製造(CAM)這是一種利用計算機控制設備完成產品製造的技術。例如，20世紀50年代出現的數控機牀便是在CAM技術的指導下，將專用計算機和機牀相結合後的產物。

藉助CAM技術，在生產零件時只需使用編程語言對工件的形狀和設備的運行進行描述後，便可以通過計算機生成包含加工參數（如走刀速度和切削深度）的數控加工程序，並以此來代替人工控制機牀的操作。這樣不僅提高產品質量和效率，還降低生產難度，在批量小、品種多、零件形狀複雜的飛機、輪船等製造業中備受歡迎。

計算機集成製造系統(CIMS)CIMS是集設計、製造、管理三大功能於一體的現代化工廠生產系統，具有生產效率高、生產週期短等特點，是20世紀製造工業的主要生產模式。在現代化的企業管理中，CIMS的目標是將企業內部所有環節和各個層次的人員全都用計算機網絡連接起來，形成一個能夠協調統一和高速運行的製造系統。

CAE技術是將工程的各個環節有機地組織起來，應用計算機技術、現代管理技術、信息科學技術等科學技術的成功結合，實現全過程的科學化、信息化管理，以取得良好的經濟效益和優良的工程質量。

CAE的功能結構應包含計算機輔助工程計劃管理、計算機輔助工程設計、計算機輔助工程施工管理及工程文檔管理等項。

計算機輔助工程計劃管理包括工程項目的可行性論證、標書、成本與報價、工程計劃進度、各子項工程計劃與進度、預決算報告等。

計算機輔助工程設計包括工程的設計指標、工程設計的有關參數及CAD系統，在CAD系統中應強調設計人員的主導作用，同時注重計算機所提供的支撐與幫助，以在最短的時間內拿出最優的設計方案來。同時，還要注意設計數據的提取和保存，以使其有效地服務於工程的整個生命週期。

計算機輔助施工管理包括工程進度、工程質量、施工安全、施工現場、施工人員、物料供給等方面的管理、控制和調度。它涉及到工程管理學、運籌學、統計學、質量控制等科學技術。當然，管理人員的自身素質是管理工作中的決定因素，必須十分重視管理人員在管理環節中的作用。

CAE技術可廣泛地應用於國民經濟的許多領域，像各種工業建設項目，例如工廠的建設，公路、鐵路、橋樑和隧道的建設；像大型工程項目，例如電站、水壩、水庫、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建築等。它還可應用於企業生產過程之中，及其它的企業經營、管理控制過程中，例如工廠的生產過程、公司的商業活動等。

CAE技術是一門涉及許多領域的多學科綜合技術，其關鍵技術有以下幾個方面。

CAE系統中表達信息的主要形式是圖形，特別是工程圖。在CAE運行的過程中，用户與計算機之間的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是計算機圖形。所以，計算機圖形技術是CAE系統的基礎和主要組成部分。

工程設計項目和機械產品都是三維空間的形體。在設計過程中，設計人員構思形成的也是三維形體。CAE技術中的三維實體造型就是在計算機內建立三維形體的幾何模型，記錄下該形體的點、稜邊、面的幾何形狀及尺寸，以及各點、邊、面間的連接關係。

CAE系統中的各個子系統，個個功能模塊都是系統有機的組成部分，它們都應有統一的幾類數據表示格式，是不同的子系統間、不同模塊間的數據交換順利進行，充分發揮應用軟件的效益，而且應具有較強的系統可擴展性和軟件的可再用性，以提高CAE系統的生產率。各種不同的CAE系統之間為了信息交換及資源共享的目的，也應建立CAE系統軟件均應遵守的數據交換規範。目前，國際上通用的標準有GKS、IGES、PDES、STEP等。

CAE系統中生成的幾何與拓撲數據，工程機械，工具的性能、數量、狀態，原材料的性能、數量、存放地點和價格，工藝數據和施工規範等數據必須通過計算機存儲、讀取、處理和傳送。這些數據的有效組織和管理是建造CAE系統的又一關鍵技術，是CAE系統集成的核心。採用數據庫管理系統（DBMS）對所產生的數據進行管理是最好的技術手段。

工程管理的成敗，取決於能否做出有效的決策。一定的管理方法和管理手段是一定社會生產力發展水平的產物。市場經濟環境中企業的競爭不僅是人才與技術的競爭，而且是管理水平、經營方針的競爭，是管理決策的競爭。決策的依據和出發點取決於信息的質量。所以，建立一個由人和計算機等組成的能進行信息收集、傳輸、加工、保存、維護和使用的管理信息系統，有效地利用信息控制企業活動是CAE系統具有戰略意義、事關全局的一環。工程的整個過程歸根結蒂是管理過程，工程的質量與效益在很大程度上取決於管理。

CAE系統是一個包括工程各個環節的集成系統，是計算機應用的一個重要方面。從系統結構上看，大致可分為兩類：集中式系統和工作站網絡系統。

在集中式系統中，視系統的需要配置一台中、小型機或大型機，構造成CAE系統的信息中心和指揮中心，其各個工程環節的分系統可以是該中心計算機的終端機、工作站，甚至是小型機，它們與中心機通過網絡連接。這種系統的中心機功能較強，是信息存儲的中心，也是信息傳送、處理的中心。這樣的系統一次性投資較大，使用起來靈活性不強。

採用工作站網絡來構造CAE系統，各工程分系統分別設置一台或多台工作站，各自實現所擔負的功能，完成所分配的工作，通過網絡來進行信息的交換。這樣的系統造價較低，而且具有較強的靈活性，適合於工程項目複雜多變的特點。

計算機輔助工程的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型並進行計算機仿真分析。一方面，CAE技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的複雜問題，通過計算機數值模擬得到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使

複雜的過程層次化，節省了大量的時間，避免了低水平重複的工作，使工程分析更快、更準確。在產品的設計、分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用，同時CAE這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發展，技術的發展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步。

在影響計算機輔助工程技術發展的諸多因素中，人才、計算機硬件和分析軟件是三個最主要的方面。現代計算機技術的飛速發展，已經為CAE技術奠定了良好的硬件基礎。多年來，重視CAE技術人才的培養和分析軟件的開發和推廣應用，發達國家不僅在科技界而且在工程界已經具有一支較強的掌握CAE技術的人才隊伍，同時在分析軟件的開發和應用方面也達到了較高水平。

美國於1998年成立了工程計算機模擬和仿真學會(Computer Modeling and Simulation in Engineering)，其它國家也成立了類似的學術組織。各國都在投入大量的人力和物力，加快人才的培養。正是各行業中大批掌握CAE技術的科技隊伍推動了CAE技術的研究和工業化應用，CAE技術在國外已經廣泛應用於不同領域的科學研究，並普遍應用於實際工程問題，在解決許多複雜的工程分析方面發揮了重要作用。

國外對CAE技術的開發和應用真正得到高速的發展和普遍應用則是近年來的事。這一方面主要得益於計算機在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面則有賴於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於大型計算機和工作站開發的，近年來PC機性能的提高，使採用PC機進行分析成為可能，促使許多CAE軟件被移植到PC機上應用。這顯然對CAE技術的推廣應用極為有利。

衡量CAE技術水平的重要標誌之一是分析軟件的開發和應用。目前，一些發達國家在這方面已達到了較高的水平，僅以有限元分析軟件為例，國際上不少先進的大型通用有限元計算分析軟件的開發已達到較成熟的階段並已商品化，如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。這些軟件具有良好的前後處理界面，靜態和動態過程分析以及線性和非線性分析等多種強大的功能，都通過了各種不同行業的大量實際算例的反覆驗證，其解決複雜問題的能力和效率，已得到學術界和工程界的公認。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業設計等許多領域中得到了廣泛的應用。

就CAE技術的工業化應用而言，西方發達國家目前已經達到了實用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術的結合，使企業能對現代市場產品的多樣性、複雜性、可*性、經濟性等做出迅速反應，增強了企業的市場競爭能力。在許多行業中，計算機輔助分析已經作為產品設計與製造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規範加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數的汽車零部件設計都必須經過多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過設計審查，更談不上試製和投入生產。計算機數值模擬現在已不僅僅作為科學研究的一種手段，在生產實踐中也已作為必備工具普遍應用。

隨着我國科學技術現代化水平的提高，計算機輔助工程技術也在我國蓬勃發展起來。科技界和政府的主管部門已經認識到計算機輔助工程技術對提高我國科技水平，增強我國企業的市場競爭能力乃至整個國家的經濟建設都具有重要意義。近年來，我國的CAE技術研究開發和推廣應用在許多行業和領域已取得了一定的成績。但從總體來看，研究和應用的水平還不能説很高，某些方面與發達國家相比仍存在不小的差距。從行業和地區分佈方面來看，發展也還很不平衡。

目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟件已經引進我國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業得到了應用，而且我們在某些領域的應用水平並不低。不少大型工程項目也採用了這類軟件進行分析。我國已經擁有一批科技人員在從事CAE技術的研究和應用，取得了不少研究成果和應用經驗，使我們在CAE技術方面緊跟住現代科學技術的發展。但是，這些研究和應用的領域以及分佈的行業和地區還很有限，現在還主要侷限於少數具有較強經濟實力的大型企業、部分大學和研究機構。

我國的計算機分析軟件開發是一個薄弱環節，嚴重地制約了CAE技術的發展。在CAE分析軟件開發方面，我國目前至少落後於美國等發達國家十年。計算機軟件是高技術和高附加值的商品，目前的國際市場為美國等發達國家所壟斷。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達5億美元，並且以每年 15%的速度遞增。相比之下，我國自己民族的軟件工業還非常弱小，僅佔有很少量的市場份額。作為一個國家，一個民族不能長期依賴於引進外國的技術和產品，因此我們必須加大力度開發自己的計算機分析軟件，只有這樣才能改變在技術上和經濟上受制於人的局面。

我國的工業界在CAE技術的應用方面與發達國家相比水平還比較低。大多數的工業企業對CAE技術還處於初步的認同階段，CAE技術的工業化應用還有相當的難度。這是因為，一方面我們缺少自己開發的具有自主知識產權的計算機分析軟件，另一方面大量缺乏掌握CAE技術的科技人員。對於計算機分析軟件問題，目前雖然可以通過技術引進以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟件的價格一般都相當貴，國內不可能有很多企業購買這類軟件來使用。而人才的培養則需要一個長期的過程，這將是對我國CAE技術的推廣應用產生嚴重影響的一個制約因素，而且很難在短期內有明顯的改觀。提高我國工業企業的科學技術水平，將 CAE

技術廣泛應用於設計與製造過程還是一項相當艱鉅的工作。

新的世紀已經來臨，在這信息化和網絡化的時代，隨着計算機技術、CAE軟件和網絡技術的進步，計算機輔助工程將得到極大的發展。

硬件方面，計算機將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進步。可以預見，不久的將來PC機將在運行速度和存儲容量方面得到大幅度的提高，使許多CAE分析軟件都能在PC機上運行。這將為CAE技術的普及創造更好的硬件基礎，促進CAE技術的工業化應用。

軟件方面，現有的計算機仿真分析軟件將得到進一步的完善。大型通用分析軟件的功能將愈來愈強大，界面也將愈來愈友好，涵蓋的工程領域將愈來愈普遍。同時，適用於某些專門用途的專用分析軟件也將受到重視並被逐步開發完善起來。各行各業都將會具有適於各自領域的計算機仿真分析軟件。

網絡化時代的到來也將對CAE技術的發展帶來不可估量的促進作用。現在許多大的軟件公司已經採用互聯網對用户在其分析過程中遇到的困難提供技術支持。隨着互聯網技術的不斷髮展和普及，通過網絡信息傳遞，不僅對某些技術難題，甚至對於全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術支持，這必將在CAE 技術的推廣應用方面發揮極為重要的作用。

中國加入WTO後，我國的產品已不再可能依*政府來保護自己的市場，必須與國際接軌，面對國際市場。工業界必須對市場需求做出迅速反應，縮短工程設計週期，優化產品和節省造價，保證產品質量，才能贏得市場。為此，在產品的設計製造過程中應用CAD、CAE和CAM等技術是最好的選擇，這已經成為國際上科技界和工業界的共識。過去長期沿用的那些靜態的、孤立的、繁雜的、不準確的、甚至有時只能憑經驗進行的設計和分析方法必然將處於被淘汰的地位。我國的工業界要想在激烈的國際市場競爭中佔有一席之地，就必須跟上現代科學技術的發展，從現在起就應該對CAE技術予以足夠的重視。

作為世界上發展速度最快的一個發展中國家，CAE技術水平的提高將對增強我國工業界的市場競爭能力，發展國民經濟發揮重要作用。因此，我們必須加大對CAE技術的投入，加快開發自己的計算機分析軟件，培養一批掌握CAE技術的人才。針對我國工業界，特別是中小企業的CAE技術還較為落後，缺乏專門人才的實際情況，如何利用飛速發展的互聯網技術將我們的人才和技術資源充分發揮出來為企業服務，是在CAE技術的發展中值得重視的一個問題。我國科技界、教育界和工業界應該攜起手來為CAE技術的研究開發、人才培養和工業化應用而共同努力。