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CAE助推工程和产品创新
时间:2006年05月16日13:42 我来说两句(0)  

 
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来源:中国计算机用户】 【作者:仝培杰

  中国工程院院士崔俊芝谈CAE技术的发展(二)

 

  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工具和手段。

  在本刊第16~17期的“中国计算机发展50年专栏”中,已经详细介绍了CAE的起源以及一些已经为或者正在为CAE的发展创造价值的专家,在本期文章中,将详尽阐述CAE近几年的发展,以及目前CAE技术的现状。

  近15年CAE发展很快

  随着计算机的普及,CAE软件在满足工程设计需要的同时,也在不断地走向成熟。

  崔俊芝院士说:“CAE软件的快速发展主要是来自三方面:一是市场需求,大型复杂工程和产品设计的需要;二是与CAE技术相关的计算方法的发展;三是计算机技术飞速发展和普及。”

  CAE技术加速了产品的更新;以前,开发一款新产品需要5~10年,后来只用1~2年,现在已经到了1年就有2~3款新产品出来。

  近15年CAE的发展,不仅扩充了软件的功能、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分,进行了重大的改造。新增的软件成份,大都采用了面向对象的软件技术和C++语言。

  近15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当前需求,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。

  伴随着计算机技术的飞速发展,CAE技术还在迅速更新发展中。崔俊芝院士认为,未来十年的主要发展方向是:

  实现多体耦合分析、多物理场耦合分析以及多目标优化设计。

  实现多尺度和多模型耦合分析,以及结构、构件及其材料的一体化设计与模拟仿真。

  基于巨型并行机群系统、Internet、Grid Computing的高性能的计算机辅助工程。

  可实现CAE与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP的集成化、网络化、智能化。

  中国的CAE技术

  说到中国的CAE技术,崔俊芝院士想到了在20世纪50年代后期,1958年我国103小型计算机的诞生,以及1959年每秒接近万次104型计算机的问世。“自从我国有了自己的万次104型计算机,同时也就开始了中国的CAE技术。”崔俊芝院士感叹说。

  让崔俊芝院士记忆深刻的是,当时的归国专家、北京大学的董铁宝老师,从美国带回了一些关于计算机计算结构力学问题的资料。“尽管现在看来都是一些比较简单的内容,可是在当时,那可都是宝贝呀!”崔俊芝院士感叹说。

  “还有一件事现在看来十分简单,那就是大型水电工程刘家峡大坝的应力分析。在20世纪60年代初期,对大坝进行应力分析是十分复杂和困难的,是需要集体攻关的难题,当时中国科学院计算技术研究所三室成立了专门的大坝计算系统研究组。通过集体攻关,终于比较圆满地完成了北京水电勘测设计院委托的刘家峡大坝应力分析计算任务。有限元方法在我国的创立与大坝应力分析直接相关。”

  就我国的CAE发展来说,“我们国家的CAE产生于20世纪50年代后期,我国的老一辈计算科学家较早地将计算机应用于土木、建筑和机械工程领域。”崔俊芝院士说。“在我们自己的有限元方法及有限元软件诞生之后,20世纪60年代到70年代,我们曾计算过数十个大型工程,应用于水利、电力、机械、航空、建筑等领域。”

  20世纪70年代中期,大连理工大学研制出了JEFIX有限元软件,航空工业部研制了HAJIF。

  20世纪80年代中期,北京大学的袁明武教授通过对国外SAP软件的移植和重大改造,研制出了SAP-84,北京农业大学的李明瑞教授研发了FEM软件;建筑科学研究院在国家“六五”攻关项目支持下,研制完成了“BDP-建筑工程设计软件包”等。

  当时,国内知名的CAE软件主要是JIFEX、HAJIF、FEPS、BDP、SAP、FEM、FEPS等。

  让崔俊芝院士感到自豪的是,他亲自参与主持了《BDP软件》的研制,在20世纪80年代中期,BDP是我国CAE领域最大的软件。

  回忆起当年“大会战”的情景,崔俊芝院士至今记忆忧新:“那个项目涉及到上部结构、地基基础设计、暖通空调、声光热电设计、施工流程安排,牵扯到9个部委36个单位的148名软件开发人员和工程师。”

  崔俊芝院士认为,我国的CAE软件产业和CAE应用,相对于发达国家还是比较落后的,原因有三:

  其一,是从20世纪70年代后期直到90年代中期,我国的绝大多数工程和制造企业,缺乏工程和产品的创新意识和创新需求。

  其二,CAE方面的投资不足,且软件知识产权保护不完善。

  其三,CAE软件开发者和经营者,大多数是科研人员和大学教授,他们缺乏软件产业的市场意识,基本上是学院式的软件开发和软件经销模式,形不成规模型软件经营方式。

  值得庆幸的是,从20世纪90年代初,部分CAE软件开发者和相关企业,开始了CAE软件的商业化运作,逐步出现了一些商品化的CAE软件。例如,建筑科学研究院的PK/PM软件,不仅占领了我国土木建筑工程行业90%以上的软件市场,而且还销售到国外。另外,梁国平教授以飞箭软件公司开发了有限元软件自动生成系统等。

  随着建设创新型国家步伐的加快,工程和产品的自主创新需求,为CAE发展提供了强大的动力,同时信息技术的飞速发展,为CAE技术的提升提供了技术基础。我国CAE技术将会随着工程科学技术的飞速发展以及中国的和平崛起,而迎来一个更为辉煌灿烂的明天。

  (文中“老照片”和历史资料由崔俊芝院士提供,在此向崔俊芝院士表示感谢。)

1999年,崔俊芝院士(右)陪同王大珩两院院士(左)到某部进行考察。

考察后,专家们召开了座谈会。

冯康院士(右)和崔俊芝院士在一起

 

1995年,崔俊芝院士与工程技术人员在对三峡二期工程进行方案论证。

崔俊芝院士在长江三峡工地

数学研究所梁国平教授在有限元程序自动生成系统鉴定会上,该项成果获国家科技进步二等奖

  ■ CAE、CAD、CAM与CAPP之间的区别

  一项工程,一般包含初步设计、试验、分析、工程设计、施工、建成和验收(评定)等若干阶段。随着电子技术的迅速发展,人们越来越多地采用计算机作为辅助手段,更好地实现各工程阶段的工作,于是产生了一系列的科学分支,比如计算机辅助工程(CAE),计算机辅助设计(CAD),计算机辅助工艺过程设计(CAPP),以及计算机辅助制造(CAM)等。

  计算机辅助工程(CAE) 计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具,同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。

  随着计算机技术的普及和不断提高,CAE系统的功能和计算精度都有很大提高,各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生,并已成为结构分析和结构优化的重要工具,同时也是计算机辅助4C系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。

  计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)是一种技术,其中人与计算机结合为一个问题求解组,紧密配合,发挥各自所长,从而使其工作优于每一方,并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

  CAD的功能可归纳为四大类:数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。一个完整的CAD系统,应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。

  计算机辅助工艺设计(CAPP) 计算机辅助工艺设计CAPP是(Computer Aided Process Planning)是机械制造生产过程技术准备工作的一个重要内容,是产品设计与车间实际生产的纽带,是经验性很强且随环境变化而多变的决策过程。

  近年来,CAPP的研究应用工作取得了长足的进展,一批新一代CAPP产品相继被推向市场,这类系统由传统单一的工艺设计功能转变为融工艺设计、版本演化、流程管理、权限设置、数据维护、格式输出、统计分析和辅助决策等功能为一体的、客户/服务器结构的集成化协同工作平台。CAPP开始在企业中获得较大范围的应用,并逐步走向商品化和产业化。

  计算机辅助制造(CAM) 计算机辅助制造CAM(computer Aided Manufacturing)是利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容,输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。

  崔俊芝院士“语录”

  ◆ 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,就是采用最现代化的设计工具和技术手段,即先进可靠的CAE软件。

  ◆ CAE软件是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。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主导技术,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。  

(责任编辑:刘静)



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