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1、狀 Ansys。CAE软件的主体是有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)软件。有限元 方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象， 单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元 的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性 很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接 近的解。CAE软件的基本结构其中包含以下模块：前处理模块一给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分， 节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导 入，节点载
2、荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。有限元分析模块一有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元 系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、 力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般 有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、 热分析子系统等。后处理模块一有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对 工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。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
3、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, CATIA, MDT等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。1.3国外CAE技
4、术概况计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计 算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的 复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使 大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避 免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产 品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国 外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进 步。在影响计算机辅助工程技术发展的诸多因素中，人才、计算机硬件和分析软 是三个最主要的方面。现代
5、计算机技术的飞速发展，已经为CAE技术奠定了良 好的硬件基础。多年来，重视CAE技术人才的培养和分析软件的开发和推广应 用，发达国家不仅在科技界而且在工程界已经具有一支较强的掌握CAE技术的 人才队伍，同时在分析软件的开发和应用方面也达到了较高水平。美国于1998年成立了工程计算机模拟和仿真学会(Computer Modeling andSimulatin in Engineering),其它国家也成立了类似的学术组织。各国都在投入 大量的人力和物力，加快人才的培养。正是各行业中大批掌握CAE技术的科技 队伍推动了CAE技术的研究和工业化应用，CAE技术在国外已经广泛应用于不 同领域的科学研究
6、，并普遍应用于实际工程问题，在解决许多复杂的工程分析方 面发挥了重要作用。国外对CAE技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则是近年来 的事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面 则有赖于通用分析软件的推出和完善。早期的CAE分析软件一般都是基于大型 计算机和工作站开发的，近年来PC机性能的提高，使采用PC机进行分析成为 可能，促使许多CAE软件被移植到PC机上应用。这显然对CAE技术的推广应 用极为有利。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，一些 发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少 先进的大型通用有
7、限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如 I-DEAS、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。这些软件具有良好的前后处理界 面，静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了各 种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到 学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水 利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工业设计等许多领域中得到了广泛的 应用。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。 通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、 复杂性、可靠性、经
8、济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多 行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性 的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设 计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试 制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产 实践中也已作为必备工具普遍应用。1.4我国CAE技术现状随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发 展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到计算机辅助工程技术对提高我国科 技水平，增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有
9、重要意 义。近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了 一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达 国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。目前，I-DEAS、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软 件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用，而且我们 在某些领域的应用水平并不低。不少大型工程项目也采用了这类软件进行分析。 我国已经拥有一批科技人员在从事CAE技术的研究和应用，取得了不少研究成 果和应用经验，使我们在CAE技术方面紧跟住现代科学技术的发展。但是，这 些研究
10、和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限，现在还主要局限于少数具 有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发 展。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计 算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄 断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以 每年15%的速度递增。相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有 很少量的市场份额。作为一个国家，一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和 产品，因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件，只有这样才能改变在 技术上和经济上受制于
