计算机辅助工程

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计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）

　　计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。因此，CAE系统是一个包括了相关人员、技术、经营管理及信息流和物流的有机集成且优化运行的复杂的系统。

　　随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机图形学（Computer Graphics，CG）、计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）与计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技术得以十分迅猛的发展。CAD、CAM已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用，成为最具有生产潜力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的经济效益。

　　计算机技术的迅速发展还推动了现代企业管理的发展，企业管理借助于管理信息系统的支持与帮助，利用信息控制国民经济部门或企业的活动，做出科学的决策或调度，从而提高管理水平与效益。企业生产经营活动的各个环节，从工程的立项、签约、设计、施工（生产），一直到交工（交货），是一个连续的过程，有机的整体。

　　计算机辅助工程是指计算机在现代生产领域，特别是生产制造业中的应用，主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机集成制造系统等内容。

　　计算机辅助设计（CAD）

　　在如今的工业制造领域，设计人员可以在计算机的帮助下绘制各种类型的工程图纸，并在显示器上看到动态的三维立体图后，直接修改设计图稿，极大地提高了绘图的质量和效率。此外，设计人员还可以通过工程分析和模拟测试等方法，利用计算机进行逻辑模拟，从而代替产品的测试模型（样机），降低产品试制成本，缩短产品设计周期。

　　目前，CAD技术已经广泛应用于机械、电子、航空、船舶、汽车、纺织、服装、化工以及建筑等行业，成为现代计算机应用中最为活跃的技术领域。

　　计算机辅助制造（CAM）

　　这是一种利用计算机控制设备完成产品制造的技术。例如，20世纪50年代出现的数控机床便是在CAM技术的指导下，将专用计算机和机床相结合后的产物。

　　借助CAM技术，在生产零件时只需使用编程语言对工件的形状和设备的运行进行描述后，便可以通过计算机生成包含加工参数（如走刀速度和切削深度）的数控加工程序，并以此来代替人工控制机床的操作。这样不仅提高产品质量和效率，还降低生产难度，在批量小、品种多、零件形状复杂的飞机、轮船等制造业中备受欢迎。

　　计算机集成制造系统（CIMS）

　　CIMS是集设计、制造、管理三大功能于一体的现代化工厂生产系统，具有生产效率高、生产周期短等特点，是20世纪制造工业的主要生产模式。在现代化的企业管理中，CIMS的目标是将企业内部所有环节和各个层次的人员全都用计算机网络连接起来，形成一个能够协调统一和高速运行的制造系统。

　　CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来，应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合，实现全过程的科学化、信息化管理，以取得良好的经济效益和优良的工程质量。

　　CAE的功能结构应包含计算机辅助工程计划管理、计算机辅助工程设计、计算机辅助工程施工管理及工程文档管理等项。

　　计算机辅助工程计划管理包括工程项目的可行性论证、标书、成本与报价、工程计划进度、各子项工程计划与进度、预决算报告等。

　　计算机辅助工程设计包括工程的设计指标、工程设计的有关参数及CAD系统，在CAD系统中应强调设计人员的主导作用，同时注重计算机所提供的支撑与帮助，以在最短的时间内拿出最优的设计方案来。同时，还要注意设计数据的提取和保存，以使其有效地服务于工程的整个生命周期。

　　计算机辅助施工管理包括工程进度、工程质量、施工安全、施工现场、施工人员、物料供给等方面的管理、控制和调度。它涉及到工程管理学、运筹学、统计学、质量控制等科学技术。当然，管理人员的自身素质是管理工作中的决定因素，必须十分重视管理人员在管理环节中的作用。

　　CAE技术可广泛地应用于国民经济的许多领域，像各种工业建设项目，例如工厂的建设，公路、铁路、桥梁和隧道的建设；像大型工程项目，例如电站、水坝、水库、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建筑等。它还可应用于企业生产过程之中，及其它的企业经营、管理控制过程中，例如工厂的生产过程、公司的商业活动等。

　　CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术，其关键技术有以下几个方面。

　　（1）计算机图形技术

　　CAE系统中表达信息的主要形式是图形，特别是工程图。在CAE运行的过程中，用户与计算机之间的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是计算机图形。所以，计算机图形技术是CAE系统的基础和主要组成部分。

　　（2）三维实体造型

　　工程设计项目和机械产品都是三维空间的形体。在设计过程中，设计人员构思形成的也是三维形体。CAE技术中的三维实体造型就是在计算机内建立三维形体的几何模型，记录下该形体的点、棱边、面的几何形状及尺寸，以及各点、边、面间的连接关系。

　　（3）数据交换技术

　　CAE系统中的各个子系统，个个功能模块都是系统有机的组成部分，它们都应有统一的几类数据表示格式，是不同的子系统间、不同模块间的数据交换顺利进行，充分发挥应用软件的效益，而且应具有较强的系统可扩展性和软件的可再用性，以提高CAE系统的生产率。各种不同的CAE系统之间为了信息交换及资源共享的目的，也应建立CAE系统软件均应遵守的数据交换规范。目前，国际上通用的标准有GKS、IGES、PDES、STEP等。

　　（4）工程数据管理技术

　　CAE系统中生成的几何与拓扑数据，工程机械，工具的性能、数量、状态，原材料的性能、数量、存放地点和价格，工艺数据和施工规范等数据必须通过计算机存储、读取、处理和传送。这些数据的有效组织和管理是建造CAE系统的又一关键技术，是CAE系统集成的核心。采用数据库管理系统（DBMS）对所产生的数据进行管理是最好的技术手段。

　　（5）管理信息系统

　　工程管理的成败，取决于能否做出有效的决策。一定的管理方法和管理手段是一定社会生产力发展水平的产物。市场经济环境中企业的竞争不仅是人才与技术的竞争，而且是管理水平、经营方针的竞争，是管理决策的竞争。决策的依据和出发点取决于信息的质量。所以，建立一个由人和计算机等组成的能进行信息收集、传输、加工、保存、维护和使用的管理信息系统，有效地利用信息控制企业活动是CAE系统具有战略意义、事关全局的一环。工程的整个过程归根结蒂是管理过程，工程的质量与效益在很大程度上取决于管理。

　　CAE系统是一个包括工程各个环节的集成系统，是计算机应用的一个重要方面。从系统结构上看，大致可分为两类：集中式系统和工作站网络系统。

　　在集中式系统中，视系统的需要配置一台中、小型机或大型机，构造成CAE系统的信息中心和指挥中心，其各个工程环节的分系统可以是该中心计算机的终端机、工作站，甚至是小型机，它们与中心机通过网络连接。这种系统的中心机功能较强，是信息存储的中心，也是信息传送、处理的中心。这样的系统一次性投资较大，使用起来灵活性不强。

　　采用工作站网络来构造CAE系统，各工程分系统分别设置一台或多台工作站，各自实现所担负的功能，完成所分配的工作，通过网络来进行信息的交换。这样的系统造价较低，而且具有较强的灵活性，适合于工程项目复杂多变的特点。

　　1、国外CAE技术概况

　　计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使

　　复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。

　　在影响计算机辅助工程技术发展的诸多因素中，人才、计算机硬件和分析软件是三个最主要的方面。现代计算机技术的飞速发展，已经为CAE技术奠定了良好的硬件基础。多年来，重视CAE技术人才的培养和分析软件的开发和推广应用，发达国家不仅在科技界而且在工程界已经具有一支较强的掌握CAE技术的人才队伍，同时在分析软件的开发和应用方面也达到了较高水平。

　　美国于1998年成立了工程计算机模拟和仿真学会(Computer Modeling and Simulation in Engineering)，其它国家也成立了类似的学术组织。各国都在投入大量的人力和物力，加快人才的培养。正是各行业中大批掌握CAE技术的科技队伍推动了CAE技术的研究和工业化应用，CAE技术在国外已经广泛应用于不同领域的科学研究，并普遍应用于实际工程问题，在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用。

　　国外对CAE技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则是近年来的事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面则有赖于通用分析软件的推出和完善。早期的CAE分析软件一般都是基于大型计算机和工作站开发的，近年来PC机性能的提高，使采用PC机进行分析成为可能，促使许多CAE软件被移植到PC机上应用。这显然对CAE技术的推广应用极为有利。

　　衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，一些发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。这些软件具有良好的前后处理界面，静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。

　　就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可*性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。

　　2、我国CAE技术现状

　　随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到计算机辅助工程技术对提高我国科技水平，增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有重要意义。近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。

　　目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用，而且我们在某些领域的应用水平并不低。不少大型工程项目也采用了这类软件进行分析。我国已经拥有一批科技人员在从事CAE技术的研究和应用，取得了不少研究成果和应用经验，使我们在CAE技术方面紧跟住现代科学技术的发展。但是，这些研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构。

　　我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年 15%的速度递增。相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。作为一个国家，一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和产品，因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件，只有这样才能改变在技术上和经济上受制于人的局面。

　　我国的工业界在CAE技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低。大多数的工业企业对CAE技术还处于初步的认同阶段，CAE技术的工业化应用还有相当的难度。这是因为，一方面我们缺少自己开发的具有自主知识产权的计算机分析软件，另一方面大量缺乏掌握CAE技术的科技人员。对于计算机分析软件问题，目前虽然可以通过技术引进以解燃眉之急，但是，国外的这类分析软件的价格一般都相当贵，国内不可能有很多企业购买这类软件来使用。而人才的培养则需要一个长期的过程，这将是对我国CAE技术的推广应用产生严重影响的一个制约因素，而且很难在短期内有明显的改观。提高我国工业企业的科学技术水平，将 CAE

　　技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。

　　3、CAE技术展望及对策

　　新的世纪已经来临，在这信息化和网络化的时代，随着计算机技术、CAE软件和网络技术的进步，计算机辅助工程将得到极大的发展。

　　硬件方面，计算机将在高速化、小型化和大容量方面取得更大进步。可以预见，不久的将来PC机将在运行速度和存储容量方面得到大幅度的提高，使许多CAE分析软件都能在PC机上运行。这将为CAE技术的普及创造更好的硬件基础，促进CAE技术的工业化应用。

　　软件方面，现有的计算机仿真分析软件将得到进一步的完善。大型通用分析软件的功能将愈来愈强大，界面也将愈来愈友好，涵盖的工程领域将愈来愈普遍。同时，适用于某些专门用途的专用分析软件也将受到重视并被逐步开发完善起来。各行各业都将会具有适于各自领域的计算机仿真分析软件。

　　网络化时代的到来也将对CAE技术的发展带来不可估量的促进作用。现在许多大的软件公司已经采用互联网对用户在其分析过程中遇到的困难提供技术支持。随着互联网技术的不断发展和普及，通过网络信息传递，不仅对某些技术难题，甚至对于全面的CAE分析过程都有可能得到专家的技术支持，这必将在CAE 技术的推广应用方面发挥极为重要的作用。

　　中国加入WTO后，我国的产品已不再可能依*政府来保护自己的市场，必须与国际接轨，面对国际市场。工业界必须对市场需求做出迅速反应，缩短工程设计周期，优化产品和节省造价，保证产品质量，才能赢得市场。为此，在产品的设计制造过程中应用CAD、CAE和CAM等技术是最好的选择，这已经成为国际上科技界和工业界的共识。过去长期沿用的那些静态的、孤立的、繁杂的、不准确的、甚至有时只能凭经验进行的设计和分析方法必然将处于被淘汰的地位。我国的工业界要想在激烈的国际市场竞争中占有一席之地，就必须跟上现代科学技术的发展，从现在起就应该对CAE技术予以足够的重视。

　　作为世界上发展速度最快的一个发展中国家，CAE技术水平的提高将对增强我国工业界的市场竞争能力，发展国民经济发挥重要作用。因此，我们必须加大对CAE技术的投入，加快开发自己的计算机分析软件，培养一批掌握CAE技术的人才。针对我国工业界，特别是中小企业的CAE技术还较为落后，缺乏专门人才的实际情况，如何利用飞速发展的互联网技术将我们的人才和技术资源充分发挥出来为企业服务，是在CAE技术的发展中值得重视的一个问题。我国科技界、教育界和工业界应该携起手来为CAE技术的研究开发、人才培养和工业化应用而共同努力。

　　钢铁工业是世界工业化过程中最具成长性的产业之一，长期成为各个工业化国家的重要产业。在我国，虽然整个现代化建设以传统原材料为基础的状况已在发生改变，但钢铁仍是基本的结构材料和产量最大的功能材料。钢铁工业具有很强的产业关联性，上游影响交通运输、采矿、耐火材料等产业，下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、机械电子等行业。

　　钢铁工业依然是工业化国家最重要的产业部门之一，其发展状况也是衡量其工业水平和综合国力的重要指标。

　　世界范围内钢铁工业正面临着新技术蓬勃发展、结构变革的局面。用高新技术改造传统钢铁工业，加速结构优化，提高市场竞争力，是发展钢铁工业的主流趋势。计算机辅助工程(CAE)技术以其高效率、低成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。通过CAE技术，可以对钢铁工业中从冶炼到加工的各个工艺过程进行计算机过程模拟、系统优化、自动控制，采用计算机对生产过程、工艺参数及生产结果进行模拟和对整个系统进行优化，．以实现生产的超前规划和设计。

　　冶金设备作为冶金技术的载体，本身具有大型、重载、高速、连续、自动化、精密化等特点，而且往往工作在高温、重载、高粉尘、大冲击等恶劣条件下，许多性能无法采用实物试验的方法获得。近年来，国内外冶金生产中，不断出现重大设备事故，也都涉及到设备的力学行为。同时，冶金工业的发展对机械设备的性能和使用条件提出了许多新的要求。如近年出现的短流程技术及连铸连轧技术，这些关键技术集中表现为要解决的关键结构设计及力学问题，包括强度问题、运动学及动力学问题和传热及热应力问题，也对冶金机械设计研究和开发提出了更高的要求。因此CAE技术在冶金设备的设计研究上也得到了广泛的应用。

　　一、CAE技术在炼铁生产及炼铁机械方面的应用

　　CAE技术目前在炼铁生产中取得的主要成果有：采用有限元法建立高炉复杂料面及中心装焦条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态炉料流场和势函数解析模型，分析高炉中心装焦条件下的高炉状况。利用CAE技术计算分析高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。采用有限元法对高炉炉体结构进行应力分析等。

　　随着钢铁冶炼工艺复杂性的增加，冶炼中温度、化学能、流体、受力、电力、磁力、振动等多因素的影响越来越重要。因此考虑多个因素，进行多相多态介质耦合与多物理场耦合求解的冶炼过程模拟和分析将成为CAE技术研究和应用的重点。

　　在炼铁机械设计优化方面，CAE主要发挥作用在于针对上料系统、烧结机、球团造球机、回转窑、开铁口机、液压泥炮、铸铁机等一系列相关设备的力学分析和优化设计，提高了机械设备的效率和寿命，降低了机械的制造成本，在改善噪音和震动方面也发挥了重要作用。

　　二、CAE技术在炼钢生产及炼钢设备方面的应用

　　CAE技术目前在炼钢生产中取得的主要成果有：溅渣护炉状态下转炉温度场的模拟分析；废钢预热电炉内部的温度场分析；吹氩钢包内钢液的流动状态计算和实际测定；中间包的热状态的模拟计算；结晶器内连铸坯热弹塑性应力有限元数学模型的建立；连铸小方坯凝固传热与应力分析耦合数学模型的建立；坯壳与结晶器壁问气隙的大小和分布有限元分析；结晶器磨损对坯壳凝固行为和力学行为的影响分析；连铸弯月面区域凝固传热有限元模型的建立等。

　　在炼钢机械设计优化方面，CAE技术主要成果有：大型转炉炉壳应力分析；大型转炉托圈机械应力及热应力分析；通过研究连铸凝固传热过程和结晶器温度场、应力场等；对拉速、冷却水流速、铜板厚度、水垢和铜板镀层等工艺参数进行了优化，并对结晶器、中间包等设备进行了优化。

　　薄板坯连铸连轧是极具优越性的短流程生产工艺，具有工序少、消耗低、生产率高的特点。近年来科技工作者利用CAE技术对其进行了大量的研究，主要集中在对薄板坯连铸连轧的热过程、薄板坯的补偿加热、应变等方面的分析。

　　利用CAE技术对半凝固态加工、液芯轧制等过程也开展了大量的理论研究工作，为生产工艺和设备的优化提供帮助。

　　三、CAE技术在轧钢生产及轧钢设备方面的应用

　　目前钢铁工业中CAE技术运用最广泛的领域就是轧钢生产。轧钢生产的核心是材料加工过程，而CAE技术将物理冶金、现代材料学与计算力学、数值模拟技术相互结合，使材料加工过程的场变化(应力场、应变场、温度场)、加工件的尺寸、形状变化、产品组织性能缺陷等的模拟、仿真和预报成为可能。随着计算机技术和软件水平的不断提高，CAE模拟已成功地代替了大部分轧制物理模拟，人们采用有限元数值模拟技术已成功地对各种轧制过程进行了三维解析与模拟，有效地用于参数优化、产品质量预报和设备设计，判断变形过程是否可行或合理，并由轧件尺寸形状预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。

　　CAE技术在轧钢生产中的应用主要分为以下三个方面：轧制变形过程分析；轧制过程温度场分析；轧辊等轧钢机械零件分析等。CAE技术为控制轧钢过程及成品质量提供了理论依据。其中，大变形弹粘塑性热力耦合，高刚度轧机及轧辊和轧件的多体耦合解析，特种断面轧件的轧制过程模拟分析，轧件板型和板厚的精确控制调整等问题仍有待人们运用CAE技术去进行更深一步的探索和研究。

　　CAE技术已成为钢铁工业中新工艺和新产品的开发研制、生产工艺优化、设备能力考查和优化设计过程中不可缺少的重要手段。其应用前景也越来越广。