计算机辅助工程(CAE)的现状和未来

2019/12/17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（19932030）和国家重点基础研究专项经费资助2019/12/17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。2019/12/17一．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。2019/12/17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.2019/12/17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。2019/12/17•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。2019/12/17CAE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。2019/12/17•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CAD/CAM／CAPP／PDM/ERP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。2019/12/17•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。2019/12/17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Internet/Intranet=GridComputing的、CAD／CAE／CAM/CAPP／PDM/ERP的集成化、网络化、智能化。2019/12/17二．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。2019/12/17•到八十年代后期国际上知名的CAE软件有NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,DYN－3D,MARC,ASKA,DYNA,MODULEF、FASTRAN等。•国内的CAE软件主要是JIFEX,FEM,FEPS,…等。2019/12/17•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。2019/12/17•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。2019/12/17•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。2019/12/17通用CAE的算法与软件模块2019/12/17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,...。2019/12/17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,...。2019/12/17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,…。2019/12/17•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。2019/12/17•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。2019/12/17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，….2019/12/17•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.2019/12/17•ANSYS软件通过增设与CAD软件的接口模块，实现了与Pro/Engineer，CADDS，Unigraphic，Solidedge，CADIA，Solidworks，MDT以及SolidDesigner，MicroStation等软件的有效集成。2019/12/17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）。2019/12/17•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。2019/12/17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。2019/12/17•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，70％左右的时间是在进行数据交换。2019/12/17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，…。2019/12/17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。2019/12/17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。2019/12/17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，…。2019/12/17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，...。2019/12/17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，...。2019/12/17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，...。2019/12/17•伴随着CAE的发展，CAE与CAD/CAM/CAPP/PDM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。2019/12/17三．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2019/12/173.1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。2019/12/17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。2019/12/17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。2019/12/17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。2019/12/17•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。2019/12/17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。2019/12/17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。2019/12/173.2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2019/12/17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