计算机辅助工程（CAE）的发展及应用

1 CAE技术发展概述

    CAE是以有限元法、有限差分法及有限体积法为数学基础发展起来的。其中有限元分析在CAE中运用最广，基于有限元技术的CAE软件，在数量及应用范围上都处于主要地位。有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。

    CAE技术发展大致可分为4个阶段（与计算机硬件发展密切相关）：第一阶段是上世纪五六十年代，主要开发基本的结构分析程序，基于力法和简单的二维和三维位移有限元法；第二阶段是上世纪七十年代，主要开发通用有限元程序，如NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP等，也产生了混合元和杂交元理论，形成高效数值求解器，线性静力问题求解基本成熟；第三阶段是上世纪八十年代，主要完善及扩充通用有限元软件，产生了结构优化设计技术、前后置处理软件及计算机辅助设计系统，出现了断裂力学的奇异元技术、边界元技术、有限元与其他数值方法联合求解技术；第四阶段从上世纪九十年代中期至今，是微机、网络和仿真时代，一方面，计算结构技术软件适应新的计算机环境；另一方面，计算结构技术与其他学科的综合技术发展迅速，迎来了结构仿真和虚拟验证时代的到来。

    国内的发展从70年代末开始起步，与国际发展对应，可分为两个发展阶段。第一阶段，80年代至90年代中期，是一个快速发展期，开发了大量结构分析软件和CAE软件。

    经过几十年的发展，CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。并随着计算机技术、CAD技术、CAPP技术、CAM技术、PDM技术和ERP技术的发展，CAE技术逐渐与它们相互渗透，向多种信息技术的集成方向发展。

2 CAE软件分类及应用现状

    CAE软件通常可以分为通用软件和行业专业软件。通用软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，其覆盖的应用范围比较广。目前，国际上应用的通用软件主要包括：MSC公司的MSC.Nastran、MSC.Marc、MSC.Dytran，ANSYS公司的ANSYS，HKS公司的ABAQUS，LSTC公司的LS-Dyna，NEI公司的NE/Nastran，ADINA公司的ADINA，比利时Samtech公司的Semcef，EDS公司的I-DEAS，SRAC公司的COSMOS，ALGOR公司的ALGOR等。在行业内一般分为线性分析软件、一般非线性分析软件和显示高度非线性分析软件。例如，Nastran、ANSYS、Samcef、I-DEAS都在线性分析方面具有自己的优势，Marc、ABAQUS/Standard、Samcef/Mecano和ADINA在隐式非线性（lmlicit nonlinear）分析方面各具特点；MSC.Dytran、LSDyna、ABAQUS/Explicit、Pam-Crash、和Radioss是显示算法非线性（explicit nonlinear）分析软件的代表；LS-Dyna在结构分析方面见长，是汽车碰撞分析（crash）和安全性分析（safety）的首选工具；而MSC.Dytran在流-固耦合分析方面见长，在汽车缓冲气囊和国防领域应用广泛。

3 CAE软件-ABAQUS应用架构

    ABAQUS是功能强大的大型通用有限元分析软件，可以分析复杂固体力学和结构力学系统，模拟非常复杂庞大的模型，处理高度非线性问题，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。

3.1ABAQUS主要分析功能

    1）静态应力/位移分析：包括线性、材料非线性、几何非线性、结构断裂分析等；

    2）动态分析：包括频率提取分析、瞬态响应分析、稳态响应分析、随机响应分析等；

    3）非线性动态应力/位移分析：包括各种随时间变化的大位移分析、接触分析等；

    4）粘弹性/粘塑性响应分析：粘弹性/粘塑性材料结构的响应分析；

    5）热传导分析：传导、辐射和对流的瞬态或稳态分析；

    6）退火成形过程分析：对材料退火热处理过程的模拟；

    7）质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等；

    8）准静态分析：应用显示积分方法求解静态和冲压等准静态问题；

    9）耦合分析：热/力耦合、热/电耦合、压/电耦合、流/力耦合、声/力耦合等；

    10）海洋工程结构分析：模拟海洋工程的特殊载荷，例如，流载荷、浮力、惯性力；分析海洋工程的特殊结构，例如，锚链、管道、电缆；模拟海洋工程的特殊连接，例如，土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动；

    11）瞬态温度/位移耦合分析：力学和热响应耦合问题；

    12）疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计，进行疲劳寿命预估；

    13）水下冲击分析：对冲击载荷作用下的水下结构进行分析；

    14）设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析，并据此进行结构的优化设计。