计算机辅助工程CAE现状和未来课件.ppt
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1、第一页,编辑于星期三:十五点 二十六分。摘摘 要要 计算机辅助工程计算机辅助工程CAE是一种迅速是一种迅速开展的信息技术,是实现重大工程和工开展的信息技术,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展计的工程软件,是支持工程科学家进展创新研究和工程师进展创新设计的、最创新研究和工程师进展创新设计的、最重要的工具和手段。本报告将扼要表达重要的工具和手段。本报告将扼要表达CAE技术及其软件的现状,并展望最近技术及其软件的现状,并展望最近十年的开展趋势。十年的开展趋势。第二页,编辑于星期三:十五点 二十六分。一概一概 述述
2、计算机辅助工程计算机辅助工程CAE),从字面上,从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方讲它包括工程和制造业信息化的所有方面,但是传统的面,但是传统的CAE主要指用计算机对主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与平安可靠性工程和产品的功能、性能与平安可靠性进展计算、优化设计,对未来的工作状进展计算、优化设计,对未来的工作状态和运行行为进展模拟仿真,及早发现态和运行行为进展模拟仿真,及早发现设计缺陨,改进和优化设计方案,证实设计缺陨,改进和优化设计方案,证实未来工程未来工程/产品的可用性与可靠性。产品的可用性与可靠性。第三页,编辑于星期三:十五点 二十六分。工程师进展创新设计的重要手工程师进展
3、创新设计的重要手段和工具段和工具 工程和制造企业的生命力在于工工程和制造企业的生命力在于工程程/产品的创新,而对于工程师来产品的创新,而对于工程师来说,实现创新的关键,除了设计说,实现创新的关键,除了设计思想和概念之外,最主要的技术思想和概念之外,最主要的技术手段,就是采用先进可靠的手段,就是采用先进可靠的CAE软件软件.第四页,编辑于星期三:十五点 二十六分。科学家进展创新研究的重要手科学家进展创新研究的重要手段段 科学计算是现代科学家进展科学和技术科学计算是现代科学家进展科学和技术研究的三大手段之一。它可以帮助科学研究的三大手段之一。它可以帮助科学家提醒用物质实验手段尚不能表现的科家提醒用
4、物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律。学奥秘和科学规律。同时,它也是工程科学家的研究成果同时,它也是工程科学家的研究成果-理理论、方法和科学数据论、方法和科学数据-的归属之一,做成的归属之一,做成软件和数据库,成为推开工程和社会进软件和数据库,成为推开工程和社会进步的最新生产力。步的最新生产力。第五页,编辑于星期三:十五点 二十六分。CAE软件是迅速开展中的计算软件是迅速开展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、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、术相结合,而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。知识
5、密集型信息产品。第六页,编辑于星期三:十五点 二十六分。CAE软件分类软件分类 针对特定类型的工程针对特定类型的工程/产品所开发的用于产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化计算的软件,产品性能分析、预测和优化计算的软件,称为专用称为专用CAE软件。软件。可以对多种类型的工程可以对多种类型的工程/产品的工程行为产品的工程行为进展计算分析,模拟仿真,性能预测、进展计算分析,模拟仿真,性能预测、评价与优化的软件,称为通用评价与优化的软件,称为通用CAE软件。软件。通用通用CAE软件主要由有限元软件、优化软件主要由有限元软件、优化设计软件、计算流体软件、电磁场计算设计软件、计算流体软件、电磁场计算软
6、件、最优控制软件和其它专业性的计软件、最优控制软件和其它专业性的计算软件组成。算软件组成。第七页,编辑于星期三:十五点 二十六分。CAE技术已经成熟,技术已经成熟,CAE软件的可软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经根用性、可靠性和计算效率问题已经根本解决。本解决。CAE与与CAD/CAMCAPPPDM/ERP软件一起,已经成为企业家和工软件一起,已经成为企业家和工程师们实现工程程师们实现工程/产品创新的得力助产品创新的得力助手和有效工具。同时,也已成为专家、手和有效工具。同时,也已成为专家、教授进展研究重要手段。教授进展研究重要手段。第八页,编辑于星期三:十五点 二十六分。CAE与与CADC
7、AMCAPPPDMERP一起,已经成为支持工程行业和一起,已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要技术,它们已经制造企业信息化的重要技术,它们已经在提高工程在提高工程/产品的设计质量,降低研究产品的设计质量,降低研究开发本钱,缩短开发周期方面发挥了重开发本钱,缩短开发周期方面发挥了重要作用,成为实现工程要作用,成为实现工程/产品创新的支撑产品创新的支撑技术。技术。第九页,编辑于星期三:十五点 二十六分。开展趋势开展趋势 扩大扩大CAE功能,实现多构造耦合分析,功能,实现多构造耦合分析,实现多物理场耦合分析,多尺度耦合实现多物理场耦合分析,多尺度耦合分析,以及构造、构件及其材料的一分析,以及构
8、造、构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真。体化设计计算与模拟仿真。基于基于Internet/Intranet=Grid Computing 的、的、CADCAECAM/CAPPPDM/ERP的集成化、网络化、的集成化、网络化、智能化。智能化。第十页,编辑于星期三:十五点 二十六分。二现二现 状状 计算机辅助工程计算起源于五十年代计算机辅助工程计算起源于五十年代中期。中期。实用的实用的CAE软件诞生于七十年代初期。软件诞生于七十年代初期。从七零年到八五年的十五年,是从七零年到八五年的十五年,是CAE软件的功能和算法的扩大和完善期,到软件的功能和算法的扩大和完善期,到八十年代中期,逐步形成了商品
9、化的通八十年代中期,逐步形成了商品化的通用和专用用和专用CAE软件。软件。第十一页,编辑于星期三:十五点 二十六分。到八十年代后期国际上知名的到八十年代后期国际上知名的CAE软软件有件有NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,DYN3D,MARC,ASKA,DYNA,MODULEF、FASTRAN 等。等。国内的国内的CAE软件主要是软件主要是JIFEX,FEM,FEPS,等。等。第十二页,编辑于星期三:十五点 二十六分。它们都是采用构造化软件设它们都是采用构造化软件设计方法、用计方法、用FORTRAN语言和数语言和数据文件管理技术,开发的构造化据文件管理技术,开发的构造化软件。软件。第十三
10、页,编辑于星期三:十五点 二十六分。近十五年近十五年CAE的开展,不仅是扩大的开展,不仅是扩大了软件的功能、性能,更重要的是扩大了软件的功能、性能,更重要的是扩大了用户界面,前、后处理能力;对数据了用户界面,前、后处理能力;对数据管理和图形部份,进展了重大的改造。管理和图形部份,进展了重大的改造。新增的软件成分大都采用了面向对象的新增的软件成分大都采用了面向对象的软件技术和软件技术和C+语言。语言。第十四页,编辑于星期三:十五点 二十六分。近十五年近十五年CAE软件开展很快,目前市软件开展很快,目前市场上的场上的CAE软件,在功能、性能、可用软件,在功能、性能、可用性可靠性方面,根本上满足了用
11、户的性可靠性方面,根本上满足了用户的需求,它们可以运行在超级并行机,大、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。中、小、微等各类计算机系统上。第十五页,编辑于星期三:十五点 二十六分。通用通用CAE的算法与软件模块的算法与软件模块第十六页,编辑于星期三:十五点 二十六分。前处理前处理 三维实体建模与参数化建模,三维实体建模与参数化建模,构件的布尔运算,构件的布尔运算,有限元自动剖分与节点自动编号,有限元自动剖分与节点自动编号,节点参数自动生成,节点参数自动生成,荷载与材料数据输入与公式化导入,荷载与材料数据输入与公式化导入,节点荷载自动生成,节点荷载自动生成,有限元模
12、型信息自动生成有限元模型信息自动生成,.。第十七页,编辑于星期三:十五点 二十六分。有限元分析有限元分析 有限单元库,有限单元库,材料库及相关算法库,材料库及相关算法库,约束处理算法,约束处理算法,静力、动力、振动、线性与非线性解静力、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,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单元内物理场计算等,.。第十八页,编辑于星期三:十五点 二十六分。有限元分析子系统有限元分析子系统 根据工程问题的物理、力学和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数学特征,有限元分析可以分解成假设干个子问题子系统假设干个子问题子系统
13、:线性静力分析子系统线性静力分析子系统,动力及高速碰撞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振动模态分析子系统,非线性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多体耦合与接触分析子系统,热分析与热热分析与热-力耦合分析子系统力耦合分析子系统,。第十九页,编辑于星期三:十五点 二十六分。CAE软件的计算分析与模拟仿真能力,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,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,其对材料库包括的材料特性种类越全,其对工程工程/产品的分
14、析与仿真能力就越强。产品的分析与仿真能力就越强。知名知名CAE软件的单元库一般都有百余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。种单元,并拥有一个比较完善的材料库。第二十页,编辑于星期三:十五点 二十六分。CAE软件的计算效率和计算结果的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,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,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果。
15、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、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。并行计算机环境下运行。第二十一页,编辑于星期三:十五点 二十六分。后处理后处理 有限元分析结果的数据平滑,有限元分析结果的数据平滑,各种物理量的加工与显示,各种物理量的加工与显示,根据设计要求对工程根据设计要求对工程/产品按工程标准产品按工程标准进展设计数据检验,进展设计数据检验,优化设计,优化设计,配筋设计与绘制设计图,配筋设计与绘制设计图,.第二十二页,编辑于星期三:十五点 二十六分。前后处理是近十多年开
16、展最快的前后处理是近十多年开展最快的CAE软件成份,它们是软件成份,它们是CAE软件满足用软件满足用户需求,使通用软件专业化、属地化,户需求,使通用软件专业化、属地化,并实现与并实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等等软件无缝集成的关键成份;通过增加面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了特定行业的有效应用.第二十三页,编辑于星期三:十五点 二十六分。ANSYS软件通过软件通过增设与增设与CAD 软件的软件的接口模块,实现了与接口模块,实现了与Pro/Engineer,CADDS,Unigraphic,So
17、lidedge,CADIA,Solidworks,MDT以及以及SolidDesigner,MicroStation等软件的有等软件的有效集成。效集成。第二十四页,编辑于星期三:十五点 二十六分。用户界面用户界面 用户界面包括交互式图形界面,用户界面包括交互式图形界面,数据导入与导出宏命令数据导入与导出宏命令,CAE相关的相关的GUI图符,图符,智能化用户界面支持系统智能化用户界面支持系统(专家系统。专家系统。第二十五页,编辑于星期三:十五点 二十六分。有些有些CAE软件拥有专用的智能化用户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,分界面,能够帮助用户选择单元形态,分析流程,判断
18、分析结果等,使用户使用析流程,判断分析结果等,使用户使用CAE软件,就像使用软件,就像使用“傻瓜相机一样,傻瓜相机一样,具有一按即得的成效。具有一按即得的成效。国产的国产的“傻瓜型机械傻瓜型机械CAE软件已经软件已经闻世两年。闻世两年。第二十六页,编辑于星期三:十五点 二十六分。数据管理系统与数据库数据管理系统与数据库 不同的不同的CAE软件采用的数据管理技术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理系统,面向对象的工程数据库管理系统等;统等;数据库:标准构件库,典型工程产数据库:标准构件库,典型工程产品的构造
19、图形库,常规材料特性数据库,品的构造图形库,常规材料特性数据库,相关的国家国际标准与标准库,以及相关的国家国际标准与标准库,以及有关的知识库等。有关的知识库等。第二十七页,编辑于星期三:十五点 二十六分。数据管理系统和数据库已经成为大型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,它们为应用软件实现系统集成的核心,它们为 CAE软件的功能扩大,实现与软件的功能扩大,实现与CAD、CAM软件的连接运行奠定了根底。软件的连接运行奠定了根底。数据管理系统和数据库的优劣,对大数据管理系统和数据库的优劣,对大型型CAE软件的运行效率影响极大。统计软件的运行效率影响极大。统计资料说明,资料说
20、明,CAE软件在运行中,软件在运行中,70左左右的时间是在进展数据交换。右的时间是在进展数据交换。第二十八页,编辑于星期三:十五点 二十六分。目前国际上先进目前国际上先进CAE软件功能软件功能 静力和拟静力的线性与非线性分析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线性与非线性动力分析 稳态与瞬态热分析稳态与瞬态热分析 电磁场和电流分析电磁场和电流分析 流体计算流体计算 声场与波的传波计算,声场与波的传波计算,。第二十九页,编辑于星期三:十五点 二十六分。静力和拟静力的线性与非线性分析静力和拟静力的线性与非线性分析 各种单一和复杂组合构造的弹性、各种单一和复杂组合构造的弹性、弹塑性、
21、塑性、蠕变、膨胀、几何大变弹塑性、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多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。分析。第三十页,编辑于星期三:十五点 二十六分。线性与非线性动力分析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各种动荷载、爆炸与冲击荷载作用下的时程分析,的时程分析,振动模态分析,振动模态分析,交变荷载与谐波响应分析,交变荷载与谐波响应分析,随机地震荷载及随机振动分析,随机地震荷载及随机振动分析,屈曲与稳定性分析等。屈曲与稳定性分析等。第三十一页,编辑于星期三:十五点 二十六分。稳态
22、、瞬态热传导与热稳态、瞬态热传导与热-力耦合力耦合分析分析 热传导分析,热传导分析,对流和幅射状态下的热分析,对流和幅射状态下的热分析,相变分析,相变分析,热热/构造耦合分析,构造耦合分析,。第三十二页,编辑于星期三:十五点 二十六分。电磁场和电流分析电磁场和电流分析 静态和交变态的电磁场分析,静态和交变态的电磁场分析,电流与压电行为分析,电流与压电行为分析,电磁电磁/构造耦合分析,构造耦合分析,.。第三十三页,编辑于星期三:十五点 二十六分。流体计算流体计算 常规的管内和外场的层流与端流常规的管内和外场的层流与端流分析,分析,热热/流耦合分析,流耦合分析,流流/固耦合分析,固耦合分析,.。第
23、三十四页,编辑于星期三:十五点 二十六分。声场与波的传波计算声场与波的传波计算 静态和动态声场及噪声计算,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固体、流体和空气中波的传播计算,算,.。第三十五页,编辑于星期三:十五点 二十六分。伴随着伴随着CAE的开展,的开展,CAE 与与 CAD/CAM/CAPP/PDM 一起已经形成一起已经形成了一个包括研究、开发、营销、咨询、了一个包括研究、开发、营销、咨询、培训效劳在内的软件产业,这是一个对培训效劳在内的软件产业,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响的软件产业
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