基本介紹

計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來，其關(guān)鍵就是將有關(guān)的信息集成，使其產(chǎn)生并存在于工程（產(chǎn)品）的整個生命周期。因此，CAE系統(tǒng)是一個包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營管理及信息流和物流的有機(jī)集成且優(yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜的系統(tǒng)。

簡介

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用的迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics，CG）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）與計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技術(shù)得以十分迅猛的發(fā)展。CAD、CAM已經(jīng)在電子、造船、航空、航天、機(jī)械、建筑、汽車等各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，成為最具有生產(chǎn)潛力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展還推動了現(xiàn)代企業(yè)管理的發(fā)展，企業(yè)管理借助于管理信息系統(tǒng)的支持與幫助，利用信息控制國民經(jīng)濟(jì)部門或企業(yè)的活動，做出科學(xué)的決策或調(diào)度，從而提高管理水平與效益。企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的各個環(huán)節(jié)，從工程的立項(xiàng)、簽約、設(shè)計(jì)、施工（生產(chǎn)），一直到交工（交貨），是一個連續(xù)的過程，有機(jī)的整體。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具。計(jì)算機(jī)輔助工程分析方法和軟件是關(guān)鍵的技術(shù)要素之一。計(jì)算機(jī)輔助工程作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，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(dāng)成熟并已商品化，計(jì)算機(jī)模擬分析不僅在科學(xué)研究中普遍采用，而且在工程上也已達(dá)到了實(shí)用化階段。

事實(shí)證明，在設(shè)計(jì)過程中的早期引入CAE來指導(dǎo)設(shè)計(jì)決策，能解釋因在下游發(fā)現(xiàn)問題時需重新設(shè)計(jì)而造成的時間和費(fèi)用的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)人員能將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工程和產(chǎn)品品質(zhì)，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程中，CAE是創(chuàng)造價值的中心環(huán)節(jié)。事實(shí)上，CAE技術(shù)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最主要的保障。企業(yè)要在激烈的市場競爭中立于不敗之地，就必須不斷保持產(chǎn)品的創(chuàng)新。

基本概念

從廣義上說，計(jì)算機(jī)輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的CAE主要指用計(jì)算機(jī)對工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并證實(shí)未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指CAE軟件。

CAE軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件，稱之為專用CAE軟件；可以對多種類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬和預(yù)測、評價和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱之為通用CAE軟件。

CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis)軟件。有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)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(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無限接近的解。

基于有限元方法的CAE系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評定，而真正的分析計(jì)算時間只占5%左右。

采用CAD技術(shù)來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動態(tài)顯示圖。我們稱這一過程為：CAE的后處理。針對不同的應(yīng)用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機(jī))乃至生產(chǎn)線、工廠的運(yùn)動和運(yùn)行狀態(tài)。

特色功能

分析步驟

應(yīng)用CAE軟件對工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能分析和模擬時，一般要經(jīng)歷以下三個過程：前處理：對工程或產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成。后處理：根據(jù)工程或產(chǎn)品模型與設(shè)計(jì)要求，對有限元分析結(jié)果進(jìn)行用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案的合理性。

結(jié)構(gòu)

現(xiàn)行CAE軟件包含以下模塊：

前處理模塊---給實(shí)體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運(yùn)算，單元自動剖分，節(jié)點(diǎn)自動編號與節(jié)點(diǎn)參數(shù)自動生成，載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導(dǎo)入，節(jié)點(diǎn)載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。

有限元分析模塊---有限單元庫，材料庫及相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)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(xué)和數(shù)學(xué)特征，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統(tǒng)完成。一般有如下子系統(tǒng)：線性靜力分析子系統(tǒng)、動力分析子系統(tǒng)、振動模態(tài)分析子系統(tǒng)、熱分析子系統(tǒng)等。

后處理模塊---有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與工程規(guī)范校核，設(shè)計(jì)優(yōu)化與模型修改等。

作用

a)增加設(shè)計(jì)功能，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少設(shè)計(jì)成本；

b)縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；

c)CAE分析起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過程，虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性；

d)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本；

e)在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；

f)模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時間和經(jīng)費(fèi)；

g)進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。

內(nèi)容

計(jì)算機(jī)輔助工程是指計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是生產(chǎn)制造業(yè)中的應(yīng)用，主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員可以在計(jì)算機(jī)的幫助下繪制各種類型的工程圖紙，并在顯示器上看到動態(tài)的三維立體圖后，直接修改設(shè)計(jì)圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。此外，設(shè)計(jì)人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測試模型（樣機(jī)），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

目前，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工以及建筑等行業(yè)，成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用中最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)輔助制造

計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)這是一種利用計(jì)算機(jī)控制設(shè)備完成產(chǎn)品制造的技術(shù)。例如，20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床便是在CAM技術(shù)的指導(dǎo)下，將專用計(jì)算機(jī)和機(jī)床相結(jié)合后的產(chǎn)物。

借助CAM技術(shù)，在生產(chǎn)零件時只需使用編程語言對工件的形狀和設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行描述后，便可以通過計(jì)算機(jī)生成包含加工參數(shù)（如走刀速度和切削深度）的數(shù)控加工程序，并以此來代替人工控制機(jī)床的操作。這樣不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率，還降低生產(chǎn)難度，在批量小、品種多、零件形狀復(fù)雜的飛機(jī)、輪船等制造業(yè)中備受歡迎。

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)CIMS是集設(shè)計(jì)、制造、管理三大功能于一體的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，是20世紀(jì)制造工業(yè)的主要生產(chǎn)模式。在現(xiàn)代化的企業(yè)管理中，CIMS的目標(biāo)是將企業(yè)內(nèi)部所有環(huán)節(jié)和各個層次的人員全都用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一和高速運(yùn)行的制造系統(tǒng)。

功能及用途

CAE技術(shù)是將工程的各個環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的成功結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全過程的科學(xué)化、信息化管理，以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)良的工程質(zhì)量。

CAE的功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包含計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)劃管理、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程施工管理及工程文檔管理等項(xiàng)。

計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)劃管理包括工程項(xiàng)目的可行性論證、標(biāo)書、成本與報價、工程計(jì)劃進(jìn)度、各子項(xiàng)工程計(jì)劃與進(jìn)度、預(yù)決算報告等。

計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)包括工程的設(shè)計(jì)指標(biāo)、工程設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)及CAD系統(tǒng)，在CAD系統(tǒng)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)人員的主導(dǎo)作用，同時注重計(jì)算機(jī)所提供的支撐與幫助，以在最短的時間內(nèi)拿出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案來。同時，還要注意設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的提取和保存，以使其有效地服務(wù)于工程的整個生命周期。

計(jì)算機(jī)輔助施工管理包括工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、施工安全、施工現(xiàn)場、施工人員、物料供給等方面的管理、控制和調(diào)度。它涉及到工程管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、質(zhì)量控制等科學(xué)技術(shù)。當(dāng)然，管理人員的自身素質(zhì)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(huán)節(jié)中的作用。

CAE技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，像各種工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，例如工廠的建設(shè)，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設(shè)；像大型工程項(xiàng)目，例如電站、水壩、水庫、船臺的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它還可應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程之中，及其它的企業(yè)經(jīng)營、管理控制過程中，例如工廠的生產(chǎn)過程、公司的商業(yè)活動等。

關(guān)鍵技術(shù)

CAE技術(shù)是一門涉及許多領(lǐng)域的多學(xué)科綜合技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面。

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

CAE系統(tǒng)中表達(dá)信息的主要形式是圖形，特別是工程圖。在CAE運(yùn)行的過程中，用戶與計(jì)算機(jī)之間的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是計(jì)算機(jī)圖形。所以，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是CAE系統(tǒng)的基礎(chǔ)和主要組成部分。

三維實(shí)體造型

工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目和機(jī)械產(chǎn)品都是三維空間的形體。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員構(gòu)思形成的也是三維形體。CAE技術(shù)中的三維實(shí)體造型就是在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立三維形體的幾何模型，記錄下該形體的點(diǎn)、棱邊、面的幾何形狀及尺寸，以及各點(diǎn)、邊、面間的連接關(guān)系。

數(shù)據(jù)交換技術(shù)

CAE系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)，個個功能模塊都是系統(tǒng)有機(jī)的組成部分，它們都應(yīng)有統(tǒng)一的幾類數(shù)據(jù)表示格式，是不同的子系統(tǒng)間、不同模塊間的數(shù)據(jù)交換順利進(jìn)行，充分發(fā)揮應(yīng)用軟件的效益，而且應(yīng)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)可擴(kuò)展性和軟件的可再用性，以提高CAE系統(tǒng)的生產(chǎn)率。各種不同的CAE系統(tǒng)之間為了信息交換及資源共享的目的，也應(yīng)建立CAE系統(tǒng)軟件均應(yīng)遵守的數(shù)據(jù)交換規(guī)范。目前，國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)有GKS、IGES、PDES、STEP等。

工程數(shù)據(jù)管理技術(shù)

CAE系統(tǒng)中生成的幾何與拓?fù)鋽?shù)據(jù)，工程機(jī)械，工具的性能、數(shù)量、狀態(tài)，原材料的性能、數(shù)量、存放地點(diǎn)和價格，工藝數(shù)據(jù)和施工規(guī)范等數(shù)據(jù)必須通過計(jì)算機(jī)存儲、讀取、處理和傳送。這些數(shù)據(jù)的有效組織和管理是建造CAE系統(tǒng)的又一關(guān)鍵技術(shù)，是CAE系統(tǒng)集成的核心。采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理是最好的技術(shù)手段。

管理信息系統(tǒng)

工程管理的成敗，取決于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(chǎn)力發(fā)展水平的產(chǎn)物。市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中企業(yè)的競爭不僅是人才與技術(shù)的競爭，而且是管理水平、經(jīng)營方針的競爭，是管理決策的競爭。決策的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)取決于信息的質(zhì)量。所以，建立一個由人和計(jì)算機(jī)等組成的能進(jìn)行信息收集、傳輸、加工、保存、維護(hù)和使用的管理信息系統(tǒng)，有效地利用信息控制企業(yè)活動是CAE系統(tǒng)具有戰(zhàn)略意義、事關(guān)全局的一環(huán)。工程的整個過程歸根結(jié)蒂是管理過程，工程的質(zhì)量與效益在很大程度上取決于管理。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

CAE系統(tǒng)是一個包括工程各個環(huán)節(jié)的集成系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個重要方面。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，大致可分為兩類：集中式系統(tǒng)和工作站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在集中式系統(tǒng)中，視系統(tǒng)的需要配置一臺中、小型機(jī)或大型機(jī)，構(gòu)造成CAE系統(tǒng)的信息中心和指揮中心，其各個工程環(huán)節(jié)的分系統(tǒng)可以是該中心計(jì)算機(jī)的終端機(jī)、工作站，甚至是小型機(jī)，它們與中心機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接。這種系統(tǒng)的中心機(jī)功能較強(qiáng)，是信息存儲的中心，也是信息傳送、處理的中心。這樣的系統(tǒng)一次性投資較大，使用起來靈活性不強(qiáng)。

采用工作站網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造CAE系統(tǒng)，各工程分系統(tǒng)分別設(shè)置一臺或多臺工作站，各自實(shí)現(xiàn)所擔(dān)負(fù)的功能，完成所分配的工作，通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行信息的交換。這樣的系統(tǒng)造價較低，而且具有較強(qiáng)的靈活性，適合于工程項(xiàng)目復(fù)雜多變的特點(diǎn)。

技術(shù)情況

國外技術(shù)概況

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(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。

中國技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國科學(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)也在我國蓬勃發(fā)展起來。科技界和政府的主管部門已經(jīng)認(rèn)識到計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)對提高我國科技水平，增強(qiáng)我國企業(yè)的市場競爭能力乃至整個國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有重要意義。近年來，我國的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)我國，在汽車、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用，而且我們在某些領(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。我國已經(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)，使我們在CAE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)。

我國的計(jì)算機(jī)分析軟件開發(fā)是一個薄弱環(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，我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，我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。作為一個國家，一個民族不能長期依賴于引進(jìn)外國的技術(shù)和產(chǎn)品，因此我們必須加大力度開發(fā)自己的計(jì)算機(jī)分析軟件，只有這樣才能改變在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上受制于人的局面。

我國的工業(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)?，一方面我們?nèi)鄙僮约洪_發(fā)的具有自主知識產(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)則需要一個長期的過程，這將是對我國CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重影響的一個制約因素，而且很難在短期內(nèi)有明顯的改觀。提高我國工業(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。

展望及對策

新的世紀(jì)已經(jīng)來臨，在這信息化和網(wǎng)絡(luò)化的時代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAE軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助工程將得到極大的發(fā)展。

硬件方面，計(jì)算機(jī)將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進(jìn)步?？梢灶A(yù)見，不久的將來PC機(jī)將在運(yùn)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(jī)上運(yùn)行。這將為CAE技術(shù)的普及創(chuàng)造更好的硬件基礎(chǔ)，促進(jìn)CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

軟件方面，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真分析軟件將得到進(jìn)一步的完善。大型通用分析軟件的功能將愈來愈強(qiáng)大，界面也將愈來愈友好，涵蓋的工程領(lǐng)域?qū)⒂鷣碛毡?。同時，適用于某些專門用途的專用分析軟件也將受到重視并被逐步開發(fā)完善起來。各行各業(yè)都將會具有適于各自領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)仿真分析軟件。

網(wǎng)絡(luò)化時代的到來也將對CAE技術(shù)的發(fā)展帶來不可估量的促進(jìn)作用。現(xiàn)在許多大的軟件公司已經(jīng)采用互聯(lián)網(wǎng)對用戶在其分析過程中遇到的困難提供技術(shù)支持。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞，不僅對某些技術(shù)難題，甚至對于全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術(shù)支持，這必將在CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。

中國加入WTO后，我國的產(chǎn)品已不再可能依*政府來保護(hù)自己的市場，必須與國際接軌，面對國際市場。工業(yè)界必須對市場需求做出迅速反應(yīng)，縮短工程設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化產(chǎn)品和節(jié)省造價，保證產(chǎn)品質(zhì)量，才能贏得市場。為此，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)用CAD、CAE和CAM等技術(shù)是最好的選擇，這已經(jīng)成為國際上科技界和工業(yè)界的共識。過去長期沿用的那些靜態(tài)的、孤立的、繁雜的、不準(zhǔn)確的、甚至有時只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)和分析方法必然將處于被淘汰的地位。我國的工業(yè)界要想在激烈的國際市場競爭中占有一席之地，就必須跟上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從現(xiàn)在起就應(yīng)該對CAE技術(shù)予以足夠的重視。

作為世界上發(fā)展速度最快的一個發(fā)展中國家，CAE技術(shù)水平的提高將對增強(qiáng)我國工業(yè)界的市場競爭能力，發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)發(fā)揮重要作用。因此，我們必須加大對CAE技術(shù)的投入，加快開發(fā)自己的計(jì)算機(jī)分析軟件，培養(yǎng)一批掌握CAE技術(shù)的人才。針對我國工業(yè)界，特別是中小企業(yè)的CAE技術(shù)還較為落后，缺乏專門人才的實(shí)際情況，如何利用飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將我們的人才和技術(shù)資源充分發(fā)揮出來為企業(yè)服務(wù)，是在CAE技術(shù)的發(fā)展中值得重視的一個問題。我國科技界、教育界和工業(yè)界應(yīng)該攜起手來為CAE技術(shù)的研究開發(fā)、人才培養(yǎng)和工業(yè)化應(yīng)用而共同努力。