計算機輔助工程（CAE）技術綜述

何春俐

（黑龍江省佳木斯大學附屬第二醫院，黑龍江 佳木斯 154002）

0 引 言

CAE（計算機輔助工程）的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省了大量的時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確；另一方面，CAE技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數值模擬得到滿意的解答。在產品的設計、分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用，同時CAE這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發展，技術的發展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步[1]。

1 CA E技術概述

計算機輔助工程CAE(Computer Aided Engineer?ing)，泛指包括分析、計算和仿真在內的一切研發活動。傳統的CAE主要是指工程設計中的分析計算和分析仿真，其核心是基于計算力學的有限元分析技術。制造工程協會SAE將計算機輔助工程(CAE)作為CIM技術構成進行如下定義：分析設計和進行運行仿真，以決定它的性能特征和對設計規則的遵循程度[2]。

CAE技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，CAE軟件是由計算力學、數字仿真技術、計算數學、結構動力學、工程管理學與計算機技術相結合，而形成一種綜合性、知識密集型信息產品。在近20年來市場需求的推動下，CAE技術有了長足的發展，它作為一項跨學科的數值模擬分析技術，不斷地受到科技界和工程界的重視。21世紀，隨著計算機技術向更高速和更小型化的發展，分析軟件的不斷開發和完善以及網絡通訊的普及，CAE技術的應用將越來越廣泛并成為衡量一個國家科學技術水平和工業現代化程度的重要標志。

2 CA E技術的應用

2.1 汽車制造業中的應用

CAE在汽車設計行業中的應用最多的。車身方面，可進行車身結構動態、靜態有限元分析，車身外型空氣動力學計算機模擬，車身噪聲分析；發動機方面可進行其性能的計算機估計，燃燒過程的計算機模擬，冷卻、傳熱的有限元分析、缸體等結構的有限元強度分析；在底盤方面，可進行車架有限元分析，懸架機構有限元分析，變速器、傳動軸及車橋等結構強度的有限元分析；整車方面，可進行汽車平順性，操縱穩定性的計算機模擬及撞車的有限元模擬。通過采用CAE技術，極大地縮短了產品的研制周期，減少了開發費用，而且也有利于通過優化等手段開發出性能更為優越的汽車整車和零部件。

2.2 飛機制造業中的應用

采用CAE技術以后，可以在設計階段就通過仿真系統模擬飛機的性能，從而在設計階段就可以對方案進行優化，其計算數據也可以用來指導試驗，大大節約了研發的周期和成本。

2.3 模具制造行業中的應用

在模具設計工序中進行CAE是為了尋求在沖壓加工中常常發生的不良變形、開裂、起皺等的解決對策，同時通過CAE的有限元法分析模具工作面周圍的結構，減輕模具結構的總重量，增加剛性分析沖壓過程中模具各部的發熱情況以便于模架結構設計時合理分布冷卻水管，延長模具耐用度。分析注塑模的注塑過程的材料流動情況使材料流動更合理，更好解決材料收縮的問題；分析三維圖形數據是否正確，核對圖形，分析曲面形狀的曲率變化情況，把分析的結果反饋給CAD階段使之外觀更美觀、工件更容易成形[3]。

2.4 板材加工成型中的應用

板料成形從力學角度而言，是一個包括幾何、材料、邊界等強非線性問題的、非常復雜的力學過程，以往人們求解多以解析法實現其誤差甚大。近年來，板料成形的計算機模擬和分析在產品設計制造中發揮著越來越重要的作用。其中主要涉及單元技術及網格劃分、本構關系、算法的選擇、接觸缺陷處理等關鍵技術以及仿真與集成等應用方法。

2.5 其他行業中的應用

隨著CAE技術的不斷成熟和CAE軟件向高性能方面的發展，CAE技術的應用范圍不斷擴大，不僅在機械制造業得到了廣泛的使用，在其他領域，如生物醫學、冶金、建筑橋梁、電子產品制造以及日用消費品的制造中都得到了應用。著名體育用品廠商耐克公司，在高級旅游鞋的受力結構研究設計中，就是采用有限元分析技術在保證鞋體受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量。

3 CA E技術的發展趨勢

1）設計數據、設計模型、專家經驗的過程化、修改/升級模板和通用化。以進一步改善和提高設計效率。

2）創建大規模漸進結構的設計平臺，以減少或避免產品開發和設計過程的中斷，保證過程延續性。

3）降低對不同的個別的CAE工具軟件的依賴性，提供零文本編輯的用戶界面，加上智能化，以最大程度方便各種水平的用戶。

4）CAE軟件面向對象的工程數據庫及其管理系統，高性能價格比的大容量存貯器及其高速存取技術在迅速發展，PC機的硬盤容量很快將有GB量級達到TB量級，用戶將要求更多的計算模型、標準規范、設計方案和知識性信息納入CAE軟件的數據庫中，這必將推動CAE軟件數據庫及其數據管理技術的發展，高性能的面向對象的工程數據庫及其管理系統將會出現在新一代的CAE軟件中[4]。

4 結 語

隨著計算機技術的發展，CAE技術獲得越來越廣泛的應用，這不僅能夠有效地改變設計思想和方法，提高設計能力和技術創新能力，還可以大大降低實驗費用，提高效率。

[1] 孫東印,司建明,李郁.綜述CAE技術的發展和應用[J].現代制造技術與裝備,2011(2):25-27.

[2] 張樹桐.淺談計算機輔助工程（CAE）的發展及應用[J].科技傳播,2010(16):232-233.

[3] 梅飛.計算機輔助工程技術發展及應用綜述[J].滁州學院學報,2007(5):45-47.

[4] 姚偉.淺談CAE技術現狀及發展趨勢[J].科技創新導報,2011(27):17.