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CAE软件及其现状应用分析

CAE是英文 Computer aided engineering 的缩写，它的中文意思是计算机辅助工程。计算机辅助工程(CAE)技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。CAE的核心技术是有限元理论和数字计算方法。传统的CAE主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。准确地说，CAE是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。
CAE分析分为三个部分：前处理、计算求解、后处理。前处理包括建模，网格划分，后处理包括采集处理和分析结果。
CAE的理论基础起源于20世纪40年代，1960～1970年，有限元的理论处于发展阶段，分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题，又由于当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点，CAE软件处于探索时期。1970～1980年代是CAE技术蓬勃发展的时期，一方面SDRC，MSC，ANSYS等在技术和应用继续创新外，新的CAE软件迅速成立。上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。CAD据说经过三十年的发展，经历了从线框CAD技术到曲面CAD技术，再到参数化技术，直到目前的变量化技术，为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。
CAE常用的软件包括MSC系列产品、ANSYS系列产品、ABAQUS系列产品。其中MSC系列有MSC Nastran、MSC Patran、MSC Marc、MSC Dytran 、MSC Star-CD。ANSYS系列包括Mechanical、LS-DYNA、FE-SAFE、CFX。ABAQUS系列有Standard、Explicit、CAE。
对于MSC系列产品来说，MSC Nastran 功能强大、应用最为广泛、最为通用的结构有限元分析软件，进行结构强度、刚度、动力、随机振动、频谱响应、热传导、非线性、转自动力学、参数及拓补优化、气动弹性等全面的仿真分析，是公认的业界标准。MSC Patran 集成的并行框架有限元前后处理器，针对各种不同的设计分析，提供一个全开放性的CAE环境。Patran 是世界公认最好的新一代前后处理系统，它结合了几何造型整合、有限元素模型建立、以及仿真分析和结果评估能力，常被用来仿真产品的性能，并早在设计/制造体模型测试前，即找出可能发生的问题并解决问题，提高产品的竞争力。MSC Marc 功能齐全的高级非线性分析软件，具有极强的结构分析能力。可以处理各种各种复杂的非线性问题-几何非线性（大变形和大应变）、材料非线性和接触非线性，其高效的并行计算能力能够实现超大模型的非线性计算。MSC Dytran 高速瞬态非线性动力学和瞬态流固耦合通用仿真工具，特别适用于高度非线性的动态分析，包括结构对结构的接触撞击、材料流分析、以及流体-结构藕合分析。 Dytran也适用于模拟撞击破裂、钣金成型、锻造、安全气囊充气并与乘客的碰撞、船体撞击毁损、飞机或叶片鸟击分析、爆炸分析等，是集MSC公司两个核心软件MSC.DYNA和MSC.PISCES之大成，开高度非线性、流体-结构藕合、瞬态动力响应仿真商用软件之先河的领先产品。Star-CD是Computational Dynamics公司开发出来的全球第一个采用完全非结构化网格生成技术和有限元体积方法来研究领域中复杂流动的流体分析商用软件包。
对于ANSYS系列产品，作为目前国内最为流行的ANSYS软件，在工程计算、教学实践学和科学研究方面已经积累了大量的应用实例。特别是在校学生越来越普及了对ANSYS软件的了解和应用，不少学校购买了ANSYS软件，并开展了一系列学习和推广ANSYS应用的热潮，网上的ANSYS讨论园地也日益火爆。其中Mechanical包含通用结构力学分析部分、热分析部分及其耦合分析功能。它具有一般静力学、动力学和非线性分析能力，也具有稳态、瞬态、相变等所有的热分析能力以及结构和耦合分析能力，可以处理任意复杂的装配体，涵盖各种金属材料和橡胶、泡沫、岩土等非金属材料的装配体。它的耦合场分析功能具有声学分析、压电分析、热耦合分析能力。LS-DYNA是世界上最著名的通用显示非线性有限元分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题。它以结构为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能，以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能，是通用的结构分析非线性有限元程序。FE-SAFE是世界公认的精度最高的疲劳分析软件。它既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元计算的疲劳仿真设计技术。CFX是世界上唯一采用全隐式耦合算法的大型商业软件，除了一般工业流动以外，还可以模拟如燃烧、多相流和化学反应等复杂流场。
ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有强健的计算功能和模拟性能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程。Standard为工程师和分析专家提供强有力的工具来解决许多工程问题：从线性静态、动态分析到复杂的非线性耦合物理场分析。业内领先的ABAQUS/Standard分析能力，结合与现在前后处理器的兼容能力，使ABAQUS常常成为用户的唯一选择。ABAQUS/Standard不仅可以在现有的工作流程中方便的使用，还可以借助它强大的功能显著的改进现有的工作流程。Explicit是求解复杂非线性动力学问题和准静态问题的理想程序，特别是用于模拟冲击和其他高度不连续事件。CAE支持广泛的ABAQUS分析功能，并为初学者和经验丰富的用户提供人机交互的使用环境。它还提供了完全的后处理和可视化功能，即使是最大规模的ABAQUS分析结果，也可以高速、高质量的进行绘图。
CAE软件在各行各业都有重要的应用，如汽车、电子、航空航天、医学、日用品生产、军事、电力系统、石油、大型建筑以及微电子机械系统等诸多领域中均有广泛应用。但也存在只有一些特有人群才会使用CAE，大部分人仍不了解CAE，大多企业仍未开始使用CAE，不过我们相信随着CAE的发展，终将为人们所知，为企业所用！