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计算机辅助工程(CAE)的现状和未来03-12.ppt

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上传者: qcljj 2013-03-13 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《计算机辅助工程(CAE)的现状和未来03-12ppt》,可适用于工程科技领域,主题内容包含计算机辅助工程(CAE)的现状和未来计算机辅助工程(CAE)的现状和未来崔 俊 芝中国工程院 院 士本报告受到国家自然科学基金重点项目()和国家重点符等。

计算机辅助工程(CAE)的现状和未来计算机辅助工程(CAE)的现状和未来崔 俊 芝中国工程院 院 士本报告受到国家自然科学基金重点项目()和国家重点基础研究专项经费资助摘要摘要 计算机辅助工程(CAE)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。本报告将扼要叙述CAE技术及其软件的现状并展望最近十年的发展趋势。一.概述  一.概述    计算机辅助工程(CAE)从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方面但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真及早发现设计缺陨改进和优化设计方案证实未来工程产品的可用性与可靠性。工程师进行创新设计的重要手段和工具工程师进行创新设计的重要手段和工具工程和制造企业的生命力在于工程产品的创新而对于工程师来说实现创新的关键除了设计思想和概念之外最主要的技术手段就是采用先进可靠的CAE软件科学家进行创新研究的重要手段科学家进行创新研究的重要手段科学计算是现代科学家进行科学和技术研究的三大手段之一。它可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律。同时它也是工程科学家的研究成果理论、方法和科学数据的归属之一做成软件和数据库成为推动工程和社会进步的最新生产力。  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软件分类CAE软件分类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工程行为进行计算分析模拟仿真性能预测、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技术已经成熟CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决。CAE与CADCAM/CAPP/PDMERP软件一起已经成为企业家和工程师们实现工程产品创新的得力助手和有效工具。同时也已成为专家、教授进行研究重要手段。CAE与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要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。发展趋势发展趋势扩充CAE功能实现多结构耦合分析实现多物理场耦合分析多尺度耦合分析以及结构、构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真。基于InternetIntranet=>GridComputing的、CAD/CAE/CAMCAPP/PDMERP的集成化、网络化、智能化。二.现状二.现状计算机辅助工程计算起源于五十年代中期。实用的CAE软件诞生于七十年代初期。从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。到八十年代后期国际上知名的CAE软件有NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,DYN-D,MARC,ASKA,DYNA,MODULEF、FASTRAN等。国内的CAE软件主要是JIFEX,FEM,FEPS,…等。  它们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的算法与软件模块通用CAE的算法与软件模块前处理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个子问题子系统: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个子问题子系统: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其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软件的计算效率和计算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那它就会对不同类型、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。后处理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…前后处理是近十多年发展最快的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、属地化并实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键成份通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块实现了特定行业的有效应用ANSYS软件通过增设与CAD软件的接口模块实现了与ProEngineerCADDSUnigraphicSolidedgeCADIASolidworksMDT以及SolidDesignerMicroStation等软件的有效集成。用户界面用户界面用户界面包括交互式图形界面数据导入与导出宏命令,CAE相关的GUI图符智能化用户界面支持系统(专家系统)。有些CAE软件拥有专用的智能化用户界面能够帮助用户选择单元形态分析流程判断分析结果等使用户使用CAE软件就像使用“傻瓜”相机一样具有一按即得的功效。国产的“傻瓜”型机械CAE软件已经闻世两年。数据管理系统与数据库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:文件管理系统关系型数据库管理系统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已经成为大型应用软件实现系统集成的核心它们为CAE软件的功能扩充实现与CAD、CAM…软件的连接运行奠定了基础。 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CAE软件在运行中%左右的时间是在进行数据交换。目前国际上先进CAE软件功能目前国际上先进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波计算…。静力和拟静力的线性与非线性分析静力和拟静力的线性与非线性分析  各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。线性与非线性动力分析线性与非线性动力分析 各种动荷载、爆炸与冲击荷载作用下的时程分析 振动模态分析 交变荷载与谐波响应分析 随机地震荷载及随机振动分析 屈曲与稳定性分析等。稳态、瞬态热传导与热力耦合分析稳态、瞬态热传导与热力耦合分析 热传导分析 对流和幅射状态下的热分析 相变分析 热结构耦合分析…。电磁场和电流分析电磁场和电流分析静态和交变态的电磁场分析 电流与压电行为分析 电磁结构耦合分析。流体计算流体计算常规的管内和外场的层流与端流分析 热流耦合分析 流固耦合分析。声场与波的传波计算声场与波的传波计算静态和动态声场及噪声计算固体、流体和空气中波的传播计算。伴随着CAE的发展CAE与CADCAMCAPPPDM一起已经形成了一个包括研究、开发、营销、咨询、培训服务在内的软件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软件产业它已经并会继续对国民经济的发展做出重要贡献。三.发展趋势三.发展趋势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多尺度耦合分析从材料设计到工程产品设计、集仿真与优化于一体的CAE系统微机电系统分析。可变形体系与多体耦合分析可变形体系与多体耦合分析形体变化与荷载并发状态下可变形体系的动力与振动分析。例如卫星天线、机器人、起落架。多体耦合状态下的静力、动力与振动分析:多体接触分析多体耦合动力分析与多体耦合振动分析。例如车辆与路轨车辆与桥梁等。多相多态介质耦合与多物理场耦合分析--复杂的工程产品大都是处在多物理场与多相多态介质非线性耦合状态下工作其行为绝非是多个单一问题的迭加。多相多态介质耦合与多物理场耦合分析--复杂的工程产品大都是处在多物理场与多相多态介质非线性耦合状态下工作其行为绝非是多个单一问题的迭加。多物理场(力场、渗流场、温度场、电磁场等)非线性耦合分析 多相与多态(流、固、气)介质耦合分析。多尺度耦合分析多尺度耦合分析从基本材料的组份与构造到复合材料从复合材料做成构件再由构件装配成工程产品存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象不同的尺度服从于不同的物理、力学模型通过对宏观模型的细分不能导致细观和微观模型相反通过微观和细观模型的无限迭加也难导致宏观模型。因此在工程产品的精细分析中客观地会遇到多尺度模型的耦合问题。目前的CAE软件都是仅限于宏观物理、力学模型的工程品分析。对于多物理场的强耦合问题、多相多态介质耦合问题特别是多尺度耦合问题目前尚没有成熟可靠的理论尚处于基础性前沿研究它们已经成为国内外科学家主攻的目标由于其强烈的工业背景基础研究的任何突破都会被迅速纳入CAE软件以支持新兴工程工业产品的技术创新。从材料设计到工程产品设计、集仿真、优化于一体的CAE系统从材料设计到工程产品设计、集仿真、优化于一体的CAE系统  随着计算材料科学的发展不远的将来计算机辅助于材料设计将会纳入CAE软件实现从材料性能的预测、仿真到构件与整个产品的设计、性能预测、系统仿真形成集计算机辅助于材料设计、制备到工程或产品的设计、仿真、优化于一体的新一代CAE系统。微机电系统分析微机电系统分析随着多物理场、多相、多态介质耦合理论与亚微米、纳米科学的发展以及微机电系统开发的强烈需求专门用于微机电系统设计计算和系统仿真的CAE软件正在开发不久将会问世。性能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系统适应于超级计算机和机群并行计算CAE系统适应于超级计算机和机群并行计算CAE系统 每秒千万亿次的计算机与机群系统即将诞生适应这些大规模并行计算平台的新型高精度和高效率算法正迅速发展。 新一代的CAE系统将能够解算上千万阶级方程组能够实现对复杂工程/产品的实时和真三维仿真。基于网格计算的CAE系统基于网格计算的CAE系统 互联网已经将千万台各类计算机连接在一起人们正在开发将互联网上所有计算机硬件、软件、数据库以及连接的实验设备统一和有效使用的网格计算技术。随着这一技术的成熟一定会出现基于网格计算的CAE系统基于互联网的集成化与支持协同工作的CAE系统基于互联网的集成化与支持协同工作的CAE系统 随着分布式对象集成技术和网格计算技术的发展大型工程和复杂产品开发中实施并行工程以及研究集团的联合攻关未来的用户将不再需要单一的CAD、CAE、CAM、CAPP、PDM和ERP产品它们需要基于互联网(JAVA)的、具有行业特色的、集成化与支持协同工作的的套装系统。  大型工程和复杂产品例如发电厂化工厂飞机轮船及机车车辆等它们由数万到数百万个构件和数以千计的设备组成其设计分析安装模拟和运行过程仿真都要涉及数个到数十专业领域的专业技术人员。因此基于Internet和Gridcomputing的异地异构系统下的计算分析实现对大型工程/复杂产品的全面分析和运行仿真将成为CAE的另一个重要发展方向。软件技术软件技术真三维图形处理与虚拟现实基于Internet和Gridcomputing的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库。真三维图形处理与虚拟现实真三维图形处理与虚拟现实随着DSP芯片的发展计算机图形处理能力近年有了上百倍的提高再加上三维图形算法、图形运算和参数化建模的发展快速真三维的虚拟现实技术已经成熟。因此,CAE软件的三维实体建模复杂的静态、动态物理场的虚拟现实技术将会有大发展。基于Internet和Gridcomputing的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库基于Internet和Gridcomputing的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库高性能/价格比的大容量的存贮器及其高速存取技术在迅速发展PC机的硬盘容量很快将由GB达到TB量级。用户将要求把更多的计算模型、设计方案、标准规范和知识性信息纳入CAE软件的数据库中。Internet和Gridcomputing环境下的数据库管理系统必须能够管理多用户并发存/取的、与时间/空间相关的、大量非结构化的、各种类型的数据。高性能的、基于网格环境的、面向对象的工程数据库管理系统将会出现在新一代的CAE软件中。Internet和Gridcomputing环境下的数据库管理系统应该具有关系型数据库面向对象数据库及其管理技术的优点支持抽象数据模型定义分布式、异构、虚拟计算环境与多用户并发IO状态下的数据管理Internet和Gridcomputing环境下的高级存储与查询语言访问权限与数据所有权的保护异构数据库的时空一致性和有效性检验系统异常状态下的数据一致性恢复等。用户界面用户界面多媒体用户界面智能化用户界面多媒体用户界面多媒体用户界面  计算机图形技术正在迅猛发展狭义的语音输入/输出已成现实计算机视觉系统已能在一定范围内分析体态、眼神和手势隐含信息请求的数据发掘技术也已冒泡会听、看、说、写和学习的计算机即将闻世这些多媒体技术一定会使未来CAE软件的用户界面具有更强的直观、直感和直觉性给用户带来极大便利智能化用户界面智能化用户界面  CAE软件是一个多学科交叉的、综合性的知识密集型产品它由数百到数千个算法模块组成其数据库存放着众多的设计方案、标准构件行业性的标准、规范以及判定设计和计算结果正确与否的知识性规则。  怎么使用软件?怎么判定计算结果?支持用户有效地使用这些软件的专家系统将成为用户界面的重要组成部分。集成化、专业化与属地化集成化、专业化与属地化目前多数还是单一、孤岛式的CAD、CAE、CAM、PDM产品集成化程度不高。随着实施并行工程加入WTO和互联网的发展科研人员和中、小企业用户将不再需要单一的CAD、CAE、CAM、PDM产品。他们需要具有专业特色的、集成化的套装支持系统。满足专业化属地用户的需求即国外CAD/CAE/CAM/PDM软件中国化以及中国出口软件的属地化应该成为CAE软件开发商的经营之道。实现初级集成化的若干途径实现初级集成化的若干途径直接的桥式软部件连接.共享数据库+桥式软部件连接.建立基于Internet的、可支持二次开发的智能化信息交换平台。力元智能信息交换协作平台力元智能信息交换协作平台信息传输与交换平台企业应用集成平台协同工作平台。(端口池数据传感器)CAE网上链锁店CAE网上链锁店  随着互联网的普及网格计算的发展宽带通信技术的突破通信、广播和计算机三网合一的步伐定会加快一个完全信息化的、充满着虚拟色彩而又实实在在的新时代即将到来它将改变现代人的工作、学习、交往和娱乐方式实现处处可以学习处处可以工作。  立足于全社会的网络环境建立专业化的CAE网上链锁店实施网上经销、网上培训与咨询服务以及计算量大的工程计算网上运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必将成为CAE软件业的一个发展方向  这种网上链锁店能否生存关键在于能否建立一个自适应于当前社会环境的、实现知识产权保护和合理付费的机制这种机制应该保证软件与数据产权的拥有者能够依据合同条款从使用者那里获得合理的收益并给用户提供一个方便地调用软件和访问数据以及方便合理的付费途径。  这不是一个技术性难题而是一个涉及到观念和法律的问题  社会需求和潜在的巨额利润会刺激有志之士摸着石头过河一步步地解决这个难题使CAE网上链锁店走上兴旺发达之路。  ANSYS公司已经和HP、EAI合作创建了一种针对ANSYS的网上经销服务体系。  工程和产品创新为CAE发展提供了强大的动力信息技术的飞速发展为CAE技术的提升提供了技术基础。CAE技术将会随着工程科学的迅速发展而有一个更为辉煌灿烂的明天。

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