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計算機輔助工程
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項
計算機信息技術(shù)
計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個(gè)環(huán)節有機地組織起來(lái)，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(gè)生命周期。因此，CAE系統是一個(gè)包括了相關(guān)人員、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理及信息流和物流的有機集成且優(yōu)化運行的復雜的系統。
基本信息
| 中文名 | 計算機輔助工程 |
| 外文名 | Computer Aided Engineering，CAE |
| 主流軟件 | MSC系列工程分析軟件 |
| 實(shí)質(zhì) | 各個(gè)環(huán)節有機地組織起來(lái) |
| 特點(diǎn) | 關(guān)人員、技術(shù) |
概述
隨著(zhù)計算機技術(shù)及應用的迅速發(fā)展，特別是大規模、超大規模集成電路和微型計算機的出現，使計算機圖形學(xué)（Computer Graphics，CG）、計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）與計算機輔助制造（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、機械、建筑、汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，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)濟效益。
計算機技術(shù)的迅速發(fā)展還推動(dòng)了現代企業(yè)管理的發(fā)展，企業(yè)管理借助于管理信息系統的支持與幫助，利用信息控制國民經(jīng)濟部門(mén)或企業(yè)的活動(dòng)，做出科學(xué)的決策或調度，從而提高管理水平與效益。企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節，從工程的立項、簽約、設計、施工（生產(chǎn)），一直到交工（交貨），是一個(gè)連續的過(guò)程，有機的整體。
計算機輔助工程
基本概念
計算機輔助工程
CAE軟件可以分為兩類(lèi)：針對特定類(lèi)型的工程或產(chǎn)品所開(kāi)發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預測和優(yōu)化的軟件，稱(chēng)之為專(zhuān)用CAE軟件；可以對多種類(lèi)型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬和預測、評價(jià)和優(yōu)化，以實(shí)現產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng )新的軟件，稱(chēng)之為通用CAE軟件。
CAE軟件的主體是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)軟件。
有限元方法的基本思想是將結構離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復雜的對象，單元之間通過(guò)有限個(gè)節點(diǎn)相互連接，然后根據變形協(xié)調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點(diǎn)的數目也是有限的，所以稱(chēng)為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數目，就可以使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無(wú)限接近的解。
基于有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化。
根據經(jīng)驗，CAE各階段所用的時(shí)間為：40%～45%用于模型的建立和數據輸入，50%～55%用于分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時(shí)間只占5%左右。
采用CAD技術(shù)來(lái)建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱(chēng)此過(guò)程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線(xiàn)圖，表示應用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力等分布的動(dòng)態(tài)顯示圖。我們稱(chēng)這一過(guò)程為：CAE的后處理。針對不同的應用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產(chǎn)線(xiàn)、工廠(chǎng)的運動(dòng)和運行狀態(tài)。
基本結構
計算機輔助工程結構
應用CAE軟件對工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能分析和模擬時(shí)，一般要經(jīng)歷以下三個(gè)過(guò)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。
后處理：根據工程或產(chǎn)品模型與設計要求，對有限元分析結果進(jìn)行用戶(hù)所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶(hù)，輔助用戶(hù)判定計算結果與設計方案的合理性。
2、CAE軟件的結構與功能
CAE軟件的基本結構其中包含以下模塊：
前處理模塊---給實(shí)體建模與參數化建模，構件的布爾運算，單元自動(dòng)剖分，節點(diǎn)自動(dòng)編號與節點(diǎn)參數自動(dòng)生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點(diǎn)載荷自動(dòng)生成，有限元模型信息自動(dòng)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，有限元系統組裝模塊，靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線(xiàn)性與非線(xiàn)性解法庫。大型通用題的物理、力學(xué)和數學(xué)特征，分解成若干個(gè)子問(wèn)題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線(xiàn)性靜力分析子系統、動(dòng)力分析子系統、振動(dòng)模態(tài)分析子系統、熱分析子系統等。
后處理模塊---有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產(chǎn)品設計要求的數據檢驗與工程規范校核，設計優(yōu)化與模型修改等。
用戶(hù)界面模塊、數據管理系統與數據庫、專(zhuān)家系統、知識庫。
CAE軟件對工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類(lèi)型越多，材料庫所包括的材料特性種類(lèi)越全，其CAE軟件對工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強。
一個(gè)CAE軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫。先進(jìn)高效的求解算法與常規的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。
前后處理是近十多年發(fā)展最快的CAE軟件成分，它們是CAE軟件滿(mǎn)足用戶(hù)需求，使通用軟件專(zhuān)業(yè)化、屬地化，并實(shí)現CAD、CAM、CAPP、PDM等軟件無(wú)縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過(guò)增設CAD軟件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等軟件的接口數據模塊，實(shí)現了CAD/CAE的有效集成。
CAE通常指有限元分析和機構的運動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析(線(xiàn)性、非線(xiàn)性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài));場(chǎng)分析(熱場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等);頻率響應和結構優(yōu)化等。機構分析能完成機構內零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構的運動(dòng)模擬及機構參數的優(yōu)化。
3、CAE的作用
a)增加設計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設計的合理性，減少設計成本;
b)縮短設計和分析的循環(huán)周期;
c)CAE分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過(guò)程，虛擬樣機作用能預測產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內的可靠性;
d)采用優(yōu)化設計，找出產(chǎn)品設計最佳方案，降低材料的消耗或成本;
e)在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現潛在的問(wèn)題;
f)模擬各種試驗方案，減少試驗時(shí)間和經(jīng)費;
發(fā)展歷史
國際上早20世紀在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著(zhù)名的是由美國國家宇航局(NASA)在1965年委托美國計算科學(xué)公司和貝爾航空系統公司開(kāi)發(fā)的NASTRAN有限元分析系統。此后有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。
1979年美國的SAP5線(xiàn)性結構靜、動(dòng)力分析程序向國內引進(jìn)移植成功，掀起了應用通用有限元程序來(lái)分析計算工程問(wèn)題的高潮。在國內開(kāi)發(fā)比較成功并擁有較多用戶(hù)(100家以上)的有限元分析系統有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的FIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國農機科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4.0等。
衡量CAE技術(shù)水平的重要標志之一是分析軟件的開(kāi)發(fā)和應用。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(chē)、航空、機械、材料等許多行業(yè)得到了應用。我國的計算機分析軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節，嚴重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場(chǎng)份額達5億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國自己的CAE軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場(chǎng)份額。
主流CAE軟件
計算機輔助工程軟件
MSC是全球最大的CAE軟件供應商，為滿(mǎn)足各種工程應用的需求提供了多種仿真工具。MSC具有超過(guò)40%的世界MCAE市場(chǎng)份額，2000多家大用戶(hù)，覆蓋了工程仿真的各個(gè)方面，在汽車(chē)、軍事國防、航空航天、機械制造領(lǐng)域占絕對統治地位。主要產(chǎn)品有：
MSC.NASTRAN：大型通用結構有限元分析軟件，同時(shí)也是工業(yè)標準的FEA原代碼程序及國際合作和國際招標中工程分析和校驗的首選工具;
MC.NASTRAN：圖形框架前后處理器;
MSC.DYTRAN：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù);
MSC.FATIGUE：專(zhuān)用的耐久性疲勞壽命分析軟件系統;
MSC.CONSTRUCT：用于拓撲及形狀優(yōu)化的概念化設計軟件系統;
MSC.MARC：功能齊全的高級非線(xiàn)性結構有限元分析系統;
MSC.AKUSMOD：MSC公司與德國SFE公司共同開(kāi)發(fā)的內噪音預測仿真軟件;
MSC.SUPERFORGE：三維鍛造仿真軟件;
MSC.SUPERFORM：制造過(guò)程仿真軟件。
2、ANSYS分析軟件
ANSYS是最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開(kāi)發(fā)的，它能與多數CAD軟件接口，實(shí)現數據的共享和交換，是經(jīng)典CAE工具，在現代產(chǎn)品設計中廣泛使用。唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件，能實(shí)現多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析，具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能，良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境。
軟件主要包括前后處理模塊和分析計算模塊三部分。前處理模塊提供實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，以便用戶(hù)構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線(xiàn)等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計算結果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。
3、ADAMS
美國MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司開(kāi)發(fā)的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是世界上最具權威性的使用范圍最廣的機械系統動(dòng)力學(xué)分析軟件。用戶(hù)使用ADAMS軟件，可以自動(dòng)生成包括機-電-液一體化在內的、任意復雜系統的多體動(dòng)力學(xué)數字化虛擬樣機模型，能為用戶(hù)提供從產(chǎn)品概念設計、方案論證、詳細設計到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗規劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結果，從而達到縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)及競爭力的目的。由于A(yíng)DAMS具有通用、精確的仿真功能、方便而友好的用戶(hù)界面和強大的圖形動(dòng)畫(huà)顯示能力，所以該軟件已在全世界數以千計的著(zhù)名大公司中得到成功的應用。
4、紫瑞CAE
紫瑞CAE軟件由機械部鄭州機械研究所、中科院計算數學(xué)與工程計算所、鄭州紫瑞軟件有限公聯(lián)合研制。是一個(gè)與三維CAD軟件無(wú)縫集成的自動(dòng)化程度很高的有限元分析軟件，主要用于結構分析計算。是國家科技部”九五”科技攻關(guān)專(zhuān)題《機械CAE系統產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)》項目中推出的具有自主版權的通用軟件。目前已發(fā)行三個(gè)版本：企業(yè)版；專(zhuān)業(yè)版；教學(xué)版。
5、材料成形CAE軟件
塑性成形CAE軟件中，國外有DEFORM、MARC/AutoForge、AutoForm、DYNAFORM、PAM SYSTEM等軟件；中國有清華、上海交大、華中科大、吉林工大等各自研制的部分CAE軟件。
塑料注射成形CAE軟件中有MOLDFLOW、SLMUCOOL、MOLDCOOL、C COOL等軟件。
內容
1. 計算機輔助設計（CAD）
在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設計人員可以在計算機的幫助下繪制各種類(lèi)型的工程圖紙，并在顯示器上看到動(dòng)態(tài)的三維立體圖后，直接修改設計圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。此外，設計人員還可以通過(guò)工程分析和模擬測試等方法，利用計算機進(jìn)行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測試模型（樣機），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設計周期。
目前，CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于機械、電子、航空、船舶、汽車(chē)、紡織、服裝、化工以及建筑等行業(yè)，成為現代計算機應用中最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域。
2. 計算機輔助制造（CAM）
這是一種利用計算機控制設備完成產(chǎn)品制造的技術(shù)。例如，20世紀50年代出現的數控機床便是在CAM技術(shù)的指導下，將專(zhuān)用計算機和機床相結合后的產(chǎn)物。
借助CAM技術(shù)，在生產(chǎn)零件時(shí)只需使用編程語(yǔ)言對工件的形狀和設備的運行進(jìn)行描述后，便可以通過(guò)計算機生成包含加工參數（如走刀速度和切削深度）的數控加工程序，并以此來(lái)代替人工控制機床的操作。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、零件形狀復雜的飛機、輪船等制造業(yè)中備受歡迎。
3. 計算機集成制造系統（CIMS）
CIMS是集設計、制造、管理三大功能于一體的現代化工廠(chǎng)生產(chǎn)系統，具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，是20世紀制造工業(yè)的主要生產(chǎn)模式。在現代化的企業(yè)管理中，CIMS的目標是將企業(yè)內部所有環(huán)節和各個(gè)層次的人員全都用計算機網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，形成一個(gè)能夠協(xié)調統一和高速運行的制造系統。
功能及用途
CAE技術(shù)是將工程的各個(gè)環(huán)節有機地組織起來(lái)，應用計算機技術(shù)、現代管理技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的成功結合，實(shí)現全過(guò)程的科學(xué)化、信息化管理，以取得良好的經(jīng)濟效益和優(yōu)良的工程質(zhì)量。
CAE的功能結構應包含計算機輔助工程計劃管理、計算機輔助工程設計、計算機輔助工程施工管理及工程文檔管理等項。
計算機輔助工程計劃管理包括工程項目的可行性論證、標書(shū)、成本與報價(jià)、工程計劃進(jìn)度、各子項工程計劃與進(jìn)度、預決算報告等。
計算機輔助工程設計包括工程的設計指標、工程設計的有關(guān)參數及CAD系統，在CAD系統中應強調設計人員的主導作用，同時(shí)注重計算機所提供的支撐與幫助，以在最短的時(shí)間內拿出最優(yōu)的設計方案來(lái)。同時(shí)，還要注意設計數據的提取和保存，以使其有效地服務(wù)于工程的整個(gè)生命周期。
計算機輔助施工管理包括工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、施工安全、施工現場(chǎng)、施工人員、物料供給等方面的管理、控制和調度。它涉及到工程管理學(xué)、運籌學(xué)、統計學(xué)、質(zhì)量控制等科學(xué)技術(shù)。當然，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)節中的作用。
CAE技術(shù)可廣泛地應用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，像各種工業(yè)建設項目，例如工廠(chǎng)的建設，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設；像大型工程項目，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。它還可應用于企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之中，及其它的企業(yè)經(jīng)營(yíng)、管理控制過(guò)程中，例如工廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程、公司的商業(yè)活動(dòng)等。
關(guān)鍵技術(shù)
計算機輔助關(guān)鍵技術(shù)
（1）計算機圖形技術(shù)
CAE系統中表達信息的主要形式是圖形，特別是工程圖。在CAE運行的過(guò)程中，用戶(hù)與計算機之間的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是計算機圖形。所以，計算機圖形技術(shù)是CAE系統的基礎和主要組成部分。
（2）三維實(shí)體造型
工程設計項目和機械產(chǎn)品都是三維空間的形體。在設計過(guò)程中，設計人員構思形成的也是三維形體。CAE技術(shù)中的三維實(shí)體造型就是在計算機內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。
（3）數據交換技術(shù)
CAE系統中的各個(gè)子系統，個(gè)個(gè)功能模塊都是系統有機的組成部分，它們都應有統一的幾類(lèi)數據表示格式，是不同的子系統間、不同模塊間的數據交換順利進(jìn)行，充分發(fā)揮應用軟件的效益，而且應具有較強的系統可擴展性和軟件的可再用性，以提高CAE系統的生產(chǎn)率。各種不同的CAE系統之間為了信息交換及資源共享的目的，也應建立CAE系統軟件均應遵守的數據交換規范。目前，國際上通用的標準有GKS、IGES、PDES、STEP等。
（4）工程數據管理技術(shù)
CAE系統中生成的幾何與拓撲數據，工程機械，工具的性能、數量、狀態(tài)，原材料的性能、數量、存放地點(diǎn)和價(jià)格，工藝數據和施工規范等數據必須通過(guò)計算機存儲、讀取、處理和傳送。這些數據的有效組織和管理是建造CAE系統的又一關(guān)鍵技術(shù)，是CAE系統集成的核心。采用數據庫管理系統（DBMS）對所產(chǎn)生的數據進(jìn)行管理是最好的技術(shù)手段。
（5）管理信息系統
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(huì )生產(chǎn)力發(fā)展水平的產(chǎn)物。市場(chǎng)經(jīng)濟環(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(yíng)方針的競爭，是管理決策的競爭。決策的依據和出發(fā)點(diǎn)取決于信息的質(zhì)量。所以，建立一個(gè)由人和計算機等組成的能進(jìn)行信息收集、傳輸、加工、保存、維護和使用的管理信息系統，有效地利用信息控制企業(yè)活動(dòng)是CAE系統具有戰略意義、事關(guān)全局的一環(huán)。工程的整個(gè)過(guò)程歸根結蒂是管理過(guò)程，工程的質(zhì)量與效益在很大程度上取決于管理。
CAE系統
CAE系統是一個(gè)包括工程各個(gè)環(huán)節的集成系統，是計算機應用的一個(gè)重要方面。從系統結構上看，大致可分為兩類(lèi)：集中式系統和工作站網(wǎng)絡(luò )系統。
在集中式系統中，視系統的需要配置一臺中、小型機或大型機，構造成CAE系統的信息中心和指揮中心，其各個(gè)工程環(huán)節的分系統可以是該中心計算機的終端機、工作站，甚至是小型機，它們與中心機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接。這種系統的中心機功能較強，是信息存儲的中心，也是信息傳送、處理的中心。這樣的系統一次性投資較大，使用起來(lái)靈活性不強。
采用工作站網(wǎng)絡(luò )來(lái)構造CAE系統，各工程分系統分別設置一臺或多臺工作站，各自實(shí)現所擔負的功能，完成所分配的工作，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行信息的交換。這樣的系統造價(jià)較低，而且具有較強的靈活性，適合于工程項目復雜多變的特點(diǎn)。
技術(shù)概況
計算機輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問(wèn)題為背景，建立計算模型并進(jìn)行計算機仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應用，使許多過(guò)去受條件限制無(wú)法分析的復雜問(wèn)題，通過(guò)計算機數值模擬得到滿(mǎn)意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使復雜的過(guò)程層次化，節省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確。在產(chǎn)品的設計、分析、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)CAE這一新興的數值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎學(xué)科和應用科學(xué)的進(jìn)步。
在影響計算機輔助工程技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，人才、計算機硬件和分析軟件是三個(gè)最主要的方面?，F代計算機技術(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。多年來(lái)，重視CAE技術(shù)人才的培養和分析軟件的開(kāi)發(fā)和推廣應用，發(fā)達國家不僅在科技界而且在工程界已經(jīng)具有一支較強的掌握CAE技術(shù)的人才隊伍，同時(shí)在分析軟件的開(kāi)發(fā)和應用方面也達到了較高水平。
美國于1998年成立了工程計算機模擬和仿真學(xué)會(huì )(Computer Modeling and Simulation in Engineering)，其它國家也成立了類(lèi)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。正是各行業(yè)中大批掌握CAE技術(shù)的科技隊伍推動(dòng)了CAE技術(shù)的研究和工業(yè)化應用，CAE技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛應用于不同領(lǐng)域的科學(xué)研究，并普遍應用于實(shí)際工程問(wèn)題，在解決許多復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(kāi)發(fā)和應用真正得到高速的發(fā)展和普遍應用則是近年來(lái)的事。這一方面主要得益于計算機在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面則有賴(lài)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算機和工作站開(kāi)發(fā)的，近年來(lái)PC機性能的提高，使采用PC機進(jìn)行分析成為可能，促使許多CAE軟件被移植到PC機上應用。這顯然對CAE技術(shù)的推廣應用極為有利。
衡量CAE技術(shù)水平的重要標志之一是分析軟件的開(kāi)發(fā)和應用。目前，一些發(fā)達國家在這方面已達到了較高的水平，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算分析軟件的開(kāi)發(fā)已達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(dòng)態(tài)過(guò)程分析以及線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析等多種強大的功能，都通過(guò)了各種不同行業(yè)的大量實(shí)際算例的反復驗證，其解決復雜問(wèn)題的能力和效率，已得到學(xué)術(shù)界和工程界的公認。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車(chē)、電氣工業(yè)設計等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。
就CAE技術(shù)的工業(yè)化應用而言，西方發(fā)達國家目前已經(jīng)達到了實(shí)用化階段。通過(guò)CAE與CAD、CAM等技術(shù)的結合，使企業(yè)能對現代市場(chǎng)產(chǎn)品的多樣性、復雜性、可*性、經(jīng)濟性等做出迅速反應，增強了企業(yè)的市場(chǎng)競爭能力。在許多行業(yè)中，計算機輔助分析已經(jīng)作為產(chǎn)品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規范加以實(shí)施。如，以國外某大汽車(chē)公司為例，絕大多數的汽車(chē)零部件設計都必須經(jīng)過(guò)多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過(guò)設計審查，更談不上試制和投入生產(chǎn)。計算機數值模擬現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用。
2.中國CAE技術(shù)現狀
隨著(zhù)中國科學(xué)技術(shù)現代化水平的提高，計算機輔助工程技術(shù)也在中國蓬勃發(fā)展起來(lái)?？萍冀绾驼闹鞴懿块T(mén)已經(jīng)認識到計算機輔助工程技術(shù)對提高中國科技水平，增強中國企業(yè)的市場(chǎng)競爭能力乃至整個(gè)國家的經(jīng)濟建設都具有重要意義。近年來(lái)，中國的CAE技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和推廣應用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績(jì)。但從總體來(lái)看，研究和應用的水平還不能說(shuō)很高，某些方面與發(fā)達國家相比仍存在不小的差距。從行業(yè)和地區分布方面來(lái)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)中國，在汽車(chē)、航空、機械、材料等許多行業(yè)得到了應用，而且中們在某些領(lǐng)域的應用水平并不低。不少大型工程項目也采用了這類(lèi)軟件進(jìn)行分析。中國已經(jīng)擁有一批科技人員在從事CAE技術(shù)的研究和應用，取得了不少研究成果和應用經(jīng)驗，使中們在CAE技術(shù)方面緊跟住現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是，這些研究和應用的領(lǐng)域以及分布的行業(yè)和地區還很有限，現在還主要局限于少數具有較強經(jīng)濟實(shí)力的大型企業(yè)、部分大學(xué)和研究機構。
中國的計算機分析軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節，嚴重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。在CAE分析軟件開(kāi)發(fā)方面，中國目前至少落后于美國等發(fā)達國家十年。計算機軟件是高技術(shù)和高附加值的商品，目前的國際市場(chǎng)為美國等發(fā)達國家所壟斷。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場(chǎng)份額達5億美元，并且以每年 15%的速度遞增。相比之下，中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(chǎng)份額。作為一個(gè)國家，一個(gè)民族不能長(cháng)期依賴(lài)于引進(jìn)外國的技術(shù)和產(chǎn)品，因此中們必須加大力度開(kāi)發(fā)自己的計算機分析軟件，只有這樣才能改變在技術(shù)上和經(jīng)濟上受制于人的局面。
中國的工業(yè)界在CAE技術(shù)的應用方面與發(fā)達國家相比水平還比較低。大多數的工業(yè)企業(yè)對CAE技術(shù)還處于初步的認同階段，CAE技術(shù)的工業(yè)化應用還有相當的難度。這是因為，一方面中們缺少自己開(kāi)發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的計算機分析軟件，另一方面大量缺乏掌握CAE技術(shù)的科技人員。對于計算機分析軟件問(wèn)題，目前雖然可以通過(guò)技術(shù)引進(jìn)以解燃眉之急，但是，國外的這類(lèi)分析軟件的價(jià)格一般都相當貴，國內不可能有很多企業(yè)購買(mǎi)這類(lèi)軟件來(lái)使用。而人才的培養則需要一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，這將是對中國CAE技術(shù)的推廣應用產(chǎn)生嚴重影響的一個(gè)制約因素，而且很難在短期內有明顯的改觀(guān)。提高中國工業(yè)企業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平，將 CAE 技術(shù)廣泛應用于設計與制造過(guò)程還是一項相當艱巨的工作。
展望
計算機輔助工程展望
硬件方面，計算機將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進(jìn)步?？梢灶A見(jiàn)，不久的將來(lái)PC機將在運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機上運行。這將為CAE技術(shù)的普及創(chuàng )造更好的硬件基礎，促進(jìn)CAE技術(shù)的工業(yè)化應用。
軟件方面，現有的計算機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(lái)愈強大，界面也將愈來(lái)愈友好，涵蓋的工程領(lǐng)域將愈來(lái)愈普遍。同時(shí)，適用于某些專(zhuān)門(mén)用途的專(zhuān)用分析軟件也將受到重視并被逐步開(kāi)發(fā)完善起來(lái)。各行各業(yè)都將會(huì )具有適于各自領(lǐng)域的計算機仿真分析軟件。
網(wǎng)絡(luò )化時(shí)代的到來(lái)也將對CAE技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)不可估量的促進(jìn)作用?，F在許多大的軟件公司已經(jīng)采用互聯(lián)網(wǎng)對用戶(hù)在其分析過(guò)程中遇到的困難提供技術(shù)支持。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過(guò)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(guò)程都有可能得到專(zhuān)家的技術(shù)支持，這必將在CAE 技術(shù)的推廣應用方面發(fā)揮極為重要的作用。
中國加入WTO后，中國的產(chǎn)品已不再可能依*政府來(lái)保護自己的市場(chǎng)，必須與國際接軌，面對國際市場(chǎng)。工業(yè)界必須對市場(chǎng)需求做出迅速反應，縮短工程設計周期，優(yōu)化產(chǎn)品和節省造價(jià)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，才能贏(yíng)得市場(chǎng)。為此，在產(chǎn)品的設計制造過(guò)程中應用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(guò)去長(cháng)期沿用的那些靜態(tài)的、孤立的、繁雜的、不準確的、甚至有時(shí)只能憑經(jīng)驗進(jìn)行的設計和分析方法必然將處于被淘汰的地位。中國的工業(yè)界要想在激烈的國際市場(chǎng)競爭中占有一席之地，就必須跟上現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從現在起就應該對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(gè)發(fā)展中國家，CAE技術(shù)水平的提高將對增強中國工業(yè)界的市場(chǎng)競爭能力，發(fā)展國民經(jīng)濟發(fā)揮重要作用。因此，中們必須加大對CAE技術(shù)的投入，加快開(kāi)發(fā)自己的計算機分析軟件，培養一批掌握CAE技術(shù)的人才。針對中國工業(yè)界，特別是中小企業(yè)的CAE技術(shù)還較為落后，缺乏專(zhuān)門(mén)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)將中們的人才和技術(shù)資源充分發(fā)揮出來(lái)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(gè)問(wèn)題。
鋼鐵工業(yè)應用
鋼鐵工業(yè)是世界工業(yè)化過(guò)程中最具成長(cháng)性的產(chǎn)業(yè)之一，長(cháng)期成為各個(gè)工業(yè)化國家的重要產(chǎn)業(yè)。在我國，雖然整個(gè)現代化建設以傳統原材料為基礎的狀況已在發(fā)生改變，但鋼鐵仍是基本的結構材料和產(chǎn)量最大的功能材料。鋼鐵工業(yè)具有很強的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性，上游影響交通運輸、采礦、耐火材料等產(chǎn)業(yè)，下游影響建筑、汽車(chē)、造船、金屬制品、機械電子等行業(yè)。
鋼鐵工業(yè)依然是工業(yè)化國家最重要的產(chǎn)業(yè)部門(mén)之一，其發(fā)展狀況也是衡量其工業(yè)水平和綜合國力的重要指標。
世界范圍內鋼鐵工業(yè)正面臨著(zhù)新技術(shù)蓬勃發(fā)展、結構變革的局面。用高新技術(shù)改造傳統鋼鐵工業(yè)，加速結構優(yōu)化，提高市場(chǎng)競爭力，是發(fā)展鋼鐵工業(yè)的主流趨勢。計算機輔助工程(CAE)技術(shù)以其高效率、低成本的優(yōu)勢在鋼鐵工業(yè)中得到了廣泛的應用。通過(guò)CAE技術(shù)，可以對鋼鐵工業(yè)中從冶煉到加工的各個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行計算機過(guò)程模擬、系統優(yōu)化、自動(dòng)控制，采用計算機對生產(chǎn)過(guò)程、工藝參數及生產(chǎn)結果進(jìn)行模擬和對整個(gè)系統進(jìn)行優(yōu)化，．以實(shí)現生產(chǎn)的超前規劃和設計。
冶金設備作為冶金技術(shù)的載體，本身具有大型、重載、高速、連續、自動(dòng)化、精密化等特點(diǎn)，而且往往工作在高溫、重載、高粉塵、大沖擊等惡劣條件下，許多性能無(wú)法采用實(shí)物試驗的方法獲得。近年來(lái)，國內外冶金生產(chǎn)中，不斷出現重大設備事故，也都涉及到設備的力學(xué)行為。同時(shí)，冶金工業(yè)的發(fā)展對機械設備的性能和使用條件提出了許多新的要求。如近年出現的短流程技術(shù)及連鑄連軋技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)集中表現為要解決的關(guān)鍵結構設計及力學(xué)問(wèn)題，包括強度問(wèn)題、運動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和傳熱及熱應力問(wèn)題，也對冶金機械設計研究和開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。因此CAE技術(shù)在冶金設備的設計研究上也得到了廣泛的應用。
1、CAE技術(shù)在煉鐵生產(chǎn)及煉鐵機械方面的應用
CAE技術(shù)目前在煉鐵生產(chǎn)中取得的主要成果有：采用有限元法建立高爐復雜料面及中心裝焦條件下的煤氣流場(chǎng)和壓力場(chǎng)解析模型、高爐固態(tài)爐料流場(chǎng)和勢函數解析模型，分析高爐中心裝焦條件下的高爐狀況。利用CAE技術(shù)計算分析高爐冷卻水的穩定性、流速、冷卻水管與冷卻壁本體的間隙及冷卻的高度對長(cháng)壽高效高爐冷卻壁壽命的影響。采用有限元法對高爐爐體結構進(jìn)行應力分析等。
隨著(zhù)鋼鐵冶煉工藝復雜性的增加，冶煉中溫度、化學(xué)能、流體、受力、電力、磁力、振動(dòng)等多因素的影響越來(lái)越重要。因此考慮多個(gè)因素，進(jìn)行多相多態(tài)介質(zhì)耦合與多物理場(chǎng)耦合求解的冶煉過(guò)程模擬和分析將成為CAE技術(shù)研究和應用的重點(diǎn)。
在煉鐵機械設計優(yōu)化方面，CAE主要發(fā)揮作用在于針對上料系統、燒結機、球團造球機、回轉窯、開(kāi)鐵口機、液壓泥炮、鑄鐵機等一系列相關(guān)設備的力學(xué)分析和優(yōu)化設計，提高了機械設備的效率和壽命，降低了機械的制造成本，在改善噪音和震動(dòng)方面也發(fā)揮了重要作用。
2、CAE技術(shù)在煉鋼生產(chǎn)及煉鋼設備方面的應用
CAE技術(shù)目前在煉鋼生產(chǎn)中取得的主要成果有：濺渣護爐狀態(tài)下轉爐溫度場(chǎng)的模擬分析；廢鋼預熱電爐內部的溫度場(chǎng)分析；吹氬鋼包內鋼液的流動(dòng)狀態(tài)計算和實(shí)際測定；中間包的熱狀態(tài)的模擬計算；結晶器內連鑄坯熱彈塑性應力有限元數學(xué)模型的建立；連鑄小方坯凝固傳熱與應力分析耦合數學(xué)模型的建立；坯殼與結晶器壁問(wèn)氣隙的大小和分布有限元分析；結晶器磨損對坯殼凝固行為和力學(xué)行為的影響分析；連鑄彎月面區域凝固傳熱有限元模型的建立等。
在煉鋼機械設計優(yōu)化方面，CAE技術(shù)主要成果有：大型轉爐爐殼應力分析；大型轉爐托圈機械應力及熱應力分析；通過(guò)研究連鑄凝固傳熱過(guò)程和結晶器溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)等；對拉速、冷卻水流速、銅板厚度、水垢和銅板鍍層等工藝參數進(jìn)行了優(yōu)化，并對結晶器、中間包等設備進(jìn)行了優(yōu)化。
薄板坯連鑄連軋是極具優(yōu)越性的短流程生產(chǎn)工藝，具有工序少、消耗低、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)。近年來(lái)科技工作者利用CAE技術(shù)對其進(jìn)行了大量的研究，主要集中在對薄板坯連鑄連軋的熱過(guò)程、薄板坯的補償加熱、應變等方面的分析。
利用CAE技術(shù)對半凝固態(tài)加工、液芯軋制等過(guò)程也開(kāi)展了大量的理論研究工作，為生產(chǎn)工藝和設備的優(yōu)化提供幫助。
3、CAE技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)及軋鋼設備方面的應用
目前鋼鐵工業(yè)中CAE技術(shù)運用最廣泛的領(lǐng)域就是軋鋼生產(chǎn)。軋鋼生產(chǎn)的核心是材料加工過(guò)程，而CAE技術(shù)將物理冶金、現代材料學(xué)與計算力學(xué)、數值模擬技術(shù)相互結合，使材料加工過(guò)程的場(chǎng)變化(應力場(chǎng)、應變場(chǎng)、溫度場(chǎng))、加工件的尺寸、形狀變化、產(chǎn)品組織性能缺陷等的模擬、仿真和預報成為可能。隨著(zhù)計算機技術(shù)和軟件水平的不斷提高，CAE模擬已成功地代替了大部分軋制物理模擬，人們采用有限元數值模擬技術(shù)已成功地對各種軋制過(guò)程進(jìn)行了三維解析與模擬，有效地用于參數優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量預報和設備設計，判斷變形過(guò)程是否可行或合理，并由軋件尺寸形狀預報和力學(xué)模擬轉到金屬組織性能預報和控制。
CAE技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)中的應用主要分為以下三個(gè)方面：軋制變形過(guò)程分析；軋制過(guò)程溫度場(chǎng)分析；軋輥等軋鋼機械零件分析等。CAE技術(shù)為控制軋鋼過(guò)程及成品質(zhì)量提供了理論依據。其中，大變形彈粘塑性熱力耦合，高剛度軋機及軋輥和軋件的多體耦合解析，特種斷面軋件的軋制過(guò)程模擬分析，軋件板型和板厚的精確控制調整等問(wèn)題仍有待人們運用CAE技術(shù)去進(jìn)行更深一步的探索和研究。
CAE技術(shù)已成為鋼鐵工業(yè)中新工藝和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、設備能力考查和優(yōu)化設計過(guò)程中不可缺少的重要手段。其應用前景也越來(lái)越廣。
參考資料
[1]
智造網(wǎng)[引用日期2019-04-15]
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嘉興市，是中國浙江省地級市，位于浙江省東北部、長(cháng)江三角洲杭嘉湖平原腹地，東接上海，北臨蘇州，南鄰杭州，與寧波、紹興隔江相望。市境介于東經(jīng)120°18′-121°16′，北緯30°21′-31°02′之間，總面積3915平方公里。嘉興市下轄南湖、秀洲2個(gè)區，嘉善、海鹽2個(gè)縣，平湖、海寧、桐鄉3個(gè)縣級市
巴格達（阿拉伯語(yǔ)：??????，阿拉米語(yǔ)：?????），古稱(chēng)報達，《諸蕃志》稱(chēng) 白達，伊拉克首都，同時(shí)它也是伊拉克巴格達省的首府，為伊拉克最大城市及經(jīng)濟文化中心。伊斯蘭世界歷史文化名城。巴格達這個(gè)名稱(chēng)來(lái)自于波斯語(yǔ)，含義為“神（bagh）的贈賜（dād）”。舊譯“報達”、“八哈塔”。
漢安帝劉祜（hù）（94年－125年4月30日），東漢第六位皇帝。劉祜是清河孝王劉慶的兒子，與漢殤帝劉隆是堂兄弟，同為漢章帝劉炟（dá）的孫子。延平元年八月辛亥（106年9月21日）漢殤帝早夭，癸丑（106年9月23日）鄧太后與鄧騭擁立13歲的劉祜為帝，第二年改年號永初，后又四易年號，分別為元初、永
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