CAE技术发展趋势展望 - 格发许可优化

CAE经过了这么多年的发展.目前可以说在某些领域中基本成熟,但CAE技术好有很长很长的路要走,还有许多复杂问题拯待解决,目前就CAE的发展趋势,大概也就这么个趋势吧如有不对之处,请多多包含还望大家一起讨论呵呵
a. 由二维扩展为三维

早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现，才开始研制和发展更多的三维计算程序。现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如 LSDYNA2D 和 LSDYNA3D ， AUTODYN2D 和 AUTODYNA3D ，但也有完全在三维基础上开发的，如 MSC.DYTRAN ，就没有二维功能。

b. 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题
数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时，空气冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播 …… 这就需要用固体力学和流体动力学的数值分析结果交叉迭代求解，即所谓 “ 流 — 固耦合 ” 的问题。

c. 从单一坐标体系发展多种坐标体系

数值模拟软件在开始阶段一般采用单一坐标，或采用拉格朗日坐标或采用欧拉坐标，由于这两种坐标自身的缺陷，计算分析问题的范围都有很大的限制。为克服这种缺陷，采用了三种方法，一是两个程序简单组合，如 CTH—EPIC ，爆炸与侵彻由不同的程序分开计算；二是在同一程序中采用多种坐标体系，如 DYNA3D 中早期采用的是拉格朗日坐标，而 LSDYNA3D 的最新版除原有类型外，新加了欧拉方法以及拉格朗日与欧拉耦合方法，而最近几年才发展的 DYTRAN 则是拉格朗日型的 LSDYNA3D(1988 版 ) 与欧拉型的 PISCES 的整合体；三是采用新的计算方法，如 SPH 等， SPH 法不用网格，没有网格畸变问题，所以能在拉格朗日格式下处理大变形问题，同时， SPH 法允许存在材料界面，可以简单而精确地实现复杂的本构行为，也适用于材料在高加载速率下的断裂等问题的研究。

d. 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题
随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资，开发了诸如 LSDYNA3D 、 ABAQUS 和 AUTODYN 等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。

e. 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能

早期数值模拟计算软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含 10 万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有 80% 以上的精力都花在数据准备和结果分析上 [14] 。因此目前几乎所有的商业化数值模拟程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调 “ 可视化 ” 的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的 GUI （图形用户界面 —Graphics User Interface ），使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。

f. 与 CAD 软件的无缝集成

与通用 CAD 软件的集成使用，即在用 CAD 软件完成结构设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行构造和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的 CAD 和数值模拟软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的 CAD 软件（例如 AutoCAD 、 Pro/ENGINEER 、 Unigraphics 、 SolidEdge 、 SolidWorks 、 IDEAS 等）的接口。

g. 工作平台多样化

早期的数值分析软件基本上都是在大中型计算机上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站（ EWS ， Engineering Work Station ）上，它们的共同特点都是采用 UNIX 操作系统。 PC 机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的 PC 机采用 16 位 CPU 和 DOS 操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过 1 万阶方程。 Microsoft Windows 操作系统和 32 位的 Intel Pentium 处理器的推出，为 PC 机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到 Windows 平台上。最新高档 PC 机的求解能力已和中低档的 EWS 不相上下。
为了将在大中型计算机和 EWS 上开发的有限元程序移值到 PC 机上，常常需要采用 Hummingbird 公司的一个仿真软件 Exceed 。这样做的结果比较麻烦，而且不能充分利用 PC 机的软硬件资源。所以最近有些公司，例如 ANSYS 、 MSC.software 等开始在 Windows 平台上开发有限元程序，大多采用了 OpenGL 图形编程软件，同时还有在 PC 机上的 Linux 操作系统环境中开发的有限元程序包。

h. 软件开发强强联合

由于数值软件的开发是一项长期而艰巨的任务，开发一个通用软件是十分困难的，各家开发的软件由于应用背景的不同而各有千秋，随着数值模拟软件商业化的进展，各数值模拟软件公司为扩大市场，追求共同的利润，出现了强强联合的局面。典型的如 ANSYS 与 LSDYNA3D 联合， MSC.software 软件公司对 ABAQUS 、 LSDYNA3D 及 PISCES 等的购买。