计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述

１９７０～１９８０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，
昆明大学学报（１ａ合版）
第１４卷
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。
３ ＣＡＥ软件的发展现状、趋势ｎ”３
１９６０～１９７０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（后并人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。
昆明大学学报（综合版１
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
２００３，（２）：５０～５４
ＣＮ ５３—１１４４／Ｇ４
计算机辅助工程（ＣＡＥ）发展现状及其应用综述＋
杨朝丽 （昆明大学电子信息与机械工程系，云南昆明６５０１１８；３９岁，女，副教授）
摘要：文章介绍了计算机辅助工程技术的主要发展阶段和技术特征，特别是对ＡＮＳＹＳ软件的技术特征 和工程应用进行了介绍和讨论。
对ＣＡＥ进一步分析，其具体的含义表现为 以下几个方面：（１）运用工程数值分析中的有限元 等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场 量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实 现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的 计算分析；（２）运用过程优化设计的方法在满足工 艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、 结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工 艺过程达到最优；（３）运用结构强度与寿命评估的 理论、方法、规范，对结构的安全性、可靠性以及使 用寿命做出评价与估计；（４）运用运动／动力学的 理论、方法，对由ＣＡＤ实体造型设计出动的机
计算机辅助工程（ＣＡＥ）技术是计算机技术 和工程分析技术相结合形成的新兴技术。ＣＡＥ 软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字 仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形 成一种综合性、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。
＊ 万方收稿数日据期：２００３—０９—０９
第２期
杨朝丽：计算机辅助工程（ＣＡＥ）发展现状及其应用综述
构、整机进行运动／动力学仿真，给出机构、整机的 运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。
２ ＣＡＥ技术的发展现状与趋势口］
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Ｓｔ．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１９６３－－１９６４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。 ２．１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． ２．２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 万优方化数设据计中，标志着现代优化设计的开始，
万方数据
Ｉｎｅ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Ｌｉｖ— ｅｒｍｏｒｅ 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 Ｋｅｓｅｍｏｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ公司成立，致力于发 展Ｐ法有限元程序。同时期还有多家专业性软 件公司投人专业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。
１计算机辅助工程
计算机辅助工程ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎ—ห้องสมุดไป่ตู้ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）是一个很广的概念，从字面上讲它可以 包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统
的ＣＡＥ主要是指用计算机对工程和产品的运行 性能与安全可靠性分析，对其未来的状态和运行 状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并 证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠 性。准确地说，ＣＡＥ是指工程设计中的分析计算 与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程 优化设计、强度与寿命评估、运动／动力学仿真。 工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与 过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基 础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与 寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可 靠性如何以及使用寿命为多少；运动／动力学仿真 用来对ＣＡＤ建模完成的虚拟样机进行运动学仿 真和动力学仿真。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。
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 ＡＮＡＳＹＳ、ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ等，还有与ＣＡＤ相 集成的优化设计软件ＭＳＣ．ＶｉｓｕａｌＮａｓｔｒａｎ等。 ２．３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．ＦＡＴＩＧＵＥ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。 ２．４ 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