论文指导

试析先进制造技术CAE的发展及集成化发展的必要

  论文摘要:计算机辅助工程(CAE),从字面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。

  论文关键词: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。

  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。

  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。

  (四)开放性

  众所周知,由于CAD技术和CAE技术的并行发展,使得在传统意义上的CAD技术并不能实现和CAE技术的无缝对接。同时,根据虚拟仿真的对象、计算方法、物理场、应用行业等不同维度,CAE技术可以细分出很多单元技术。许多单元技术应用于特定行业、特定问题的CAE产品,各个领域的虚拟仿真结果得出了局部的性能仿真和改进建议,但是,单元的CAE产品无法实现产品整体性能提升,只能解决局部优化问题,无法解决全局优化问题。这就需要新开发的CAE软件必须具有开放性,要为其他软件提供开放的平台。

  (五)数据和系统兼容性

  对产品进行虚拟仿真涉及到十分复杂的流程,而应用单元的CAE产品,需要手工管理仿真流程,导致虚拟仿真的效率不高。同时,数据的接收和系统的兼容成为了CAE技术发展的一个瓶颈。如何实现虚拟仿真流程的自动化,创建完整的仿真流程模板,并且能够根据各个学科仿真的需求动态调整网格模型,提供统一的接口,这对于提升CAE技术的使用效率和质量非常关键。

  (六)良好的数据管理机制

  在这个信息大爆炸的年代,如何在海量的信息中找到自己有用的信息成为一个难题。同样,在CAE虚拟仿真的过程中,生成了大量的、不同类型的仿真文档和数据。例如:同样的产品模型,应用同样的CAE软件,但不同的分析工程师,由于知识和经验的差异,给出不同的参数,就会产生不同的数据,从而分析出来的结果差异会很大。因此,如何有效管理仿真文档,如何建立分析文档与产品模型的对应关系,如何建立虚拟仿真规范和知识库,实现对虚拟仿真知识的捕捉和重用,是CAE技术深化应用必须解决的问题。

  三、现代集成制造系统

  现代集成制造系统(CIMS)的内涵是借助计算机,把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来,进而提高企业适应市场竞争的能力。这个概念强调了两个方面:

  (一)企业的各个生产环节是不可分割的,需要统一安排组织

  (二)产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程

  CIMS是一种先进的制造思想,但是由于当时技术水平的限制,直到80年代初,这个思想才被制造领域重视并采用。近十余年来,在市场竞争的激励与相关技术进步的推动下,CIMS在实践中被不断充实、完善与发展。从这个概念出发,经历了信息集成、过程集成和企业集成的研究和实践,我们提出了现代集成制造系统(ContemporaryIntegratedManufacturingSystem,CIMS)的概念。四、我国的CIMS计划

  (一)信息集成

  在企业内部实现信息正确、高速的共享和交换,是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。信息集成对于提高企业的市场竞争力是有效的,但是直到现在实施信息集成的手段还比较落后。这使得企业CIMS应用工程开发周期长,质量不易得到保证。所以,信息集成在今后仍然是企业信息化的主要内容,也是实施诸如并行工程技术的基础。在我国以信息集成为主要内容的CIMS应用工程,将仍是今后大多数企业信息化过程中必然要经历的。

  (二)过程集成

  传统串行作业的设计、开发过程,往往会造成产品开发过程中出现反复,使产品开发周期长、成本增加。如果把产品设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行工程,在设计时考虑到下面工序中的可制造性、可装配性,则可以减少反复,缩短开发时间。并行工程便是基于这一思想的一种先进制造模式。

  (三)企业集成

  为提高自身的市场竞争力,企业必须面对全球制造的新形势,充分利用全球的制造资源,以便更好、更快、更节省地响应市场,这就是敏捷制造的来源。敏捷制造的组织形式是企业之间针对某一特定产品,建立企业动态联盟(即所谓的虚拟企业)。企业这种不断结盟的能力正是企业敏捷性的标志之一。

  随着国际经济的发展,特别是人工成本的增加,在制造业中发展CAE和CIMS已经成为必然趋势。未来的工厂,将是CIMS的天下。

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