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浅析先进制造技术CAE集成化发展历程

  摘要:随着计算机的迅猛发展,70年代到80年代初,国外的CAE技术得以蓬勃发展。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功,出现了许多著名的分析软件如Nastran,I-DEAS等,此时的CAE主要在航空、航天、军事等几个领域中被使用。上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。大量的CAE软件的涌现,使CAE技术几乎遍及所有的制造业,CAE已经成为支持工程行业和制造企业信息化的重要技术。

  关键词:CAE,集成化,发展

  计算机辅助工程(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。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。

  一、CAE的发展

  CAE的理论基础起源于20世纪40年代,1943年数学家首先涉及有限元分析领域,但由于手工计算的限制,直到1960年以后,随着电子计算机的广泛应用和发展,有限元技术依靠数值计算方法,才迅速发展起来。

  CAE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。主要体现在:

  (一)CAE功能不断扩充,实现多结构耦合析,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。

  (二)基于Internet/Intranet的CAD(计算机辅助设计)/CAE(计算机辅助工程)/CAM(计算机辅助制造)/CAPP(计算机辅助工艺设计)/PDM(产品数据管理)/ERP(企业资源计划)的集成化、网络化、智能化。

  所谓CAD/CAM集成是指在CAD、CAE、CAPP、CAM各模块之间有关信息的自动传递和转换。集成化的CAD/CAM系统借助于公共的工程数据库、网络通信技术、以及标准格式的中性文件接口,把分散于机型各异的计算机中的CAD/CAM模块高效地集成起来,实现软、硬件资源共享,保证系统内信息的流动畅通无阻。

  二、CAE应用中存在的问题

  目前,在CAE应用中存在以下亟待解决的问题:

  (一)标准化

  俗话说,国有国法,行有行规。在这个工业时代,标准化就是工业生产的行规。而随着CAE技术在我国各行各业普及和应用的发展,确保CAE技术应用的标准化和规范化,便成为了迫在眉睫的事情。目前CAE的管理存在着以下几个不足,其主要表现在:

  1、软件方面近年来,CAE软件开发成为商家的一块新蛋糕,市场上CAE软件各式各样,其性能的优劣却是参差不齐。多数企业在应用CAE技术方面面对林林总总的软件无从选择,急需规范CAE软件上市的准入门槛。

  2、缺乏对CAE技术人才的培训和从业资格的认证。各行各业都有自己的资格认证考试,以此来规范和引导从业人员掌握相关技术及规范知识。建筑行业有建造师、监理工程师,学校有教师资格证,打官司要有律师,可是像CAE这样跨行业的新型学科却没有相关的规定,企业只能是跟着感觉走。

  3、缺乏对不同行业CAE技术正确合理应用的技术指导。总之,随着CAE技术的普及与发展,制定CAE行业标准也迫在眉睫。不可否认,由于CAE技术应用的多样化与复杂化,要制定适用于所有行业的CAE技术应用标准规范是有一定难度的,甚至是不可能的。但是,如果分散开来,依据不同的行业特点,制定具体行业的CAE标准规范,如重机制造行业、汽车行业、建筑行业等等,这样操作起来应该比较容易,也会比较有针对性。

  (二)与CAD协同,消除数据交换障碍

  长久以来CAD软件、CAE软件都是单兵作战,数据交换障碍很难得到消除。我们希望能在一个统一的环境下直接读入各种CAD软件的零件模型,并在这一环境下实现任意模型装配和CAE分析,整合相同或不同CAD软件模型数据就能得到CAE分析用的CAD模型库,这些模型库中保留了CAD中的设计参数,并通过连接技术实现与CAD软件之间的共享,其优点是任何CAD和CAE人员对设计的改变都能立即反映到对方软件环境中,从而实现设计-仿真的同步协调。只有真正消除了数据间的交换障碍,才能真正发挥出CAE软件的强大功能。

  (三)网络化

  计算机支持的协同工作的出现,为异地协同设计提供了环境支持,传统的CAD/CAE/CAM技术也在向网络化方向发展。随着产品设计的复杂化及互联网通信技术的日趋成熟,传统的顺序设计方式显然已经过时,很难适应市场快速产品更新的竞争需求,企业各部门之间交互合作及数据共享,构建企业内部甚至企业之间的数字化设计交互虚拟平台已不再只是概念化的问题,如何高效实现数据的同步及信息交互对提高产品的设计质量,缩短设计周期具有重要的现实意义。

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