電腦輔助工程

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電腦輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）

　　電腦輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術的提出就是要把工程（生產）的各個環節有機地組織起來，其關鍵就是將有關的信息集成，使其產生並存在於工程（產品）的整個生命周期。因此，CAE系統是一個包括了相關人員、技術、經營管理及信息流和物流的有機集成且優化運行的複雜的系統。

　　隨著電腦技術及應用的迅速發展，特別是大規模、超大規模集成電路和微型電腦的出現，使電腦圖形學（Computer Graphics，CG）、電腦輔助設計（Computer Aided Design，CAD）與電腦輔助製造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等新技術得以十分迅猛的發展。CAD、CAM已經在電子、造船、航空、航天、機械、建築、汽車等各個領域中得到了廣泛的應用，成為最具有生產潛力的工具，展示了光明的前景，取得了巨大的經濟效益。

　　電腦技術的迅速發展還推動了現代企業管理的發展，企業管理藉助於管理信息系統的支持與幫助，利用信息控制國民經濟部門或企業的活動，做出科學的決策或調度，從而提高管理水平與效益。企業生產經營活動的各個環節，從工程的立項、簽約、設計、施工（生產），一直到交工（交貨），是一個連續的過程，有機的整體。

　　電腦輔助工程是指電腦在現代生產領域，特別是生產製造業中的應用，主要包括電腦輔助設計、電腦輔助製造和電腦集成製造系統等內容。

　　電腦輔助設計（CAD）

　　在如今的工業製造領域，設計人員可以在電腦的幫助下繪製各種類型的工程圖紙，併在顯示器上看到動態的三維立體圖後，直接修改設計圖稿，極大地提高了繪圖的質量和效率。此外，設計人員還可以通過工程分析和模擬測試等方法，利用電腦進行邏輯模擬，從而代替產品的測試模型（樣機），降低產品試製成本，縮短產品設計周期。

　　目前，CAD技術已經廣泛應用於機械、電子、航空、船舶、汽車、紡織、服裝、化工以及建築等行業，成為現代電腦應用中最為活躍的技術領域。

　　電腦輔助製造（CAM）

　　這是一種利用電腦控制設備完成產品製造的技術。例如，20世紀50年代出現的數控機床便是在CAM技術的指導下，將專用電腦和機床相結合後的產物。

　　藉助CAM技術，在生產零件時只需使用編程語言對工件的形狀和設備的運行進行描述後，便可以通過電腦生成包含加工參數（如走刀速度和切削深度）的數控加工程式，並以此來代替人工控制機床的操作。這樣不僅提高產品質量和效率，還降低生產難度，在批量小、品種多、零件形狀複雜的飛機、輪船等製造業中備受歡迎。

　　電腦集成製造系統（CIMS）

　　CIMS是集設計、製造、管理三大功能於一體的現代化工廠生產系統，具有生產效率高、生產周期短等特點，是20世紀製造工業的主要生產模式。在現代化的企業管理中，CIMS的目標是將企業內部所有環節和各個層次的人員全都用電腦網路連接起來，形成一個能夠協調統一和高速運行的製造系統。

　　CAE技術是將工程的各個環節有機地組織起來，應用電腦技術、現代管理技術、信息科學技術等科學技術的成功結合，實現全過程的科學化、信息化管理，以取得良好的經濟效益和優良的工程質量。

　　CAE的功能結構應包含電腦輔助工程計劃管理、電腦輔助工程設計、電腦輔助工程施工管理及工程文檔管理等項。

　　電腦輔助工程計劃管理包括工程項目的可行性論證、標書、成本與報價、工程計划進度、各子項工程計劃與進度、預決算報告等。

　　電腦輔助工程設計包括工程的設計指標、工程設計的有關參數及CAD系統，在CAD系統中應強調設計人員的主導作用，同時註重電腦所提供的支撐與幫助，以在最短的時間內拿出最優的設計方案來。同時，還要註意設計數據的提取和保存，以使其有效地服務於工程的整個生命周期。

　　電腦輔助施工管理包括工程進度、工程質量、施工安全、施工現場、施工人員、物料供給等方面的管理、控制和調度。它涉及到工程管理學、運籌學、統計學、質量控制等科學技術。當然，管理人員的自身素質是管理工作中的決定因素，必須十分重視管理人員在管理環節中的作用。

　　CAE技術可廣泛地應用於國民經濟的許多領域，像各種工業建設項目，例如工廠的建設，公路、鐵路、橋梁和隧道的建設；像大型工程項目，例如電站、水壩、水庫、船台的建造，船舶及港口的建造和民用建築等。它還可應用於企業生產過程之中，及其它的企業經營、管理控制過程中，例如工廠的生產過程、公司的商業活動等。

　　CAE技術是一門涉及許多領域的多學科綜合技術，其關鍵技術有以下幾個方面。

　　（1）電腦圖形技術

　　CAE系統中表達信息的主要形式是圖形，特別是工程圖。在CAE運行的過程中，用戶與電腦之間的信息交流是非常重要的。交流的主要手段之一是電腦圖形。所以，電腦圖形技術是CAE系統的基礎和主要組成部分。

　　（2）三維實體造型

　　工程設計項目和機械產品都是三維空間的形體。在設計過程中，設計人員構思形成的也是三維形體。CAE技術中的三維實體造型就是在電腦內建立三維形體的幾何模型，記錄下該形體的點、棱邊、面的幾何形狀及尺寸，以及各點、邊、面間的連接關係。

　　（3）數據交換技術

　　CAE系統中的各個子系統，個個功能模塊都是系統有機的組成部分，它們都應有統一的幾類數據表示格式，是不同的子系統間、不同模塊間的數據交換順利進行，充分發揮應用軟體的效益，而且應具有較強的系統可擴展性和軟體的可再用性，以提高CAE系統的生產率。各種不同的CAE系統之間為了信息交換及資源共用的目的，也應建立CAE系統軟體均應遵守的數據交換規範。目前，國際上通用的標準有GKS、IGES、PDES、STEP等。

　　（4）工程數據管理技術

　　CAE系統中生成的幾何與拓撲數據，工程機械，工具的性能、數量、狀態，原材料的性能、數量、存放地點和價格，工藝數據和施工規範等數據必須通過電腦存儲、讀取、處理和傳送。這些數據的有效組織和管理是建造CAE系統的又一關鍵技術，是CAE系統集成的核心。採用資料庫管理系統（DBMS）對所產生的數據進行管理是最好的技術手段。

　　（5）管理信息系統

　　工程管理的成敗，取決於能否做出有效的決策。一定的管理方法和管理手段是一定社會生產力發展水平的產物。市場經濟環境中企業的競爭不僅是人才與技術的競爭，而且是管理水平、經營方針的競爭，是管理決策的競爭。決策的依據和出發點取決於信息的質量。所以，建立一個由人和電腦等組成的能進行信息收集、傳輸、加工、保存、維護和使用的管理信息系統，有效地利用信息控制企業活動是CAE系統具有戰略意義、事關全局的一環。工程的整個過程歸根結蒂是管理過程，工程的質量與效益在很大程度上取決於管理。

　　CAE系統是一個包括工程各個環節的集成系統，是電腦應用的一個重要方面。從系統結構上看，大致可分為兩類：集中式系統和工作站網路系統。

　　在集中式系統中，視系統的需要配置一臺中、小型機或大型機，構造成CAE系統的信息中心和指揮中心，其各個工程環節的分系統可以是該中心電腦的終端機、工作站，甚至是小型機，它們與中心機通過網路連接。這種系統的中心機功能較強，是信息存儲的中心，也是信息傳送、處理的中心。這樣的系統一次性投資較大，使用起來靈活性不強。

　　採用工作站網路來構造CAE系統，各工程分系統分別設置一臺或多台工作站，各自實現所擔負的功能，完成所分配的工作，通過網路來進行信息的交換。這樣的系統造價較低，而且具有較強的靈活性，適合於工程項目複雜多變的特點。

　　1、國外CAE技術概況

　　電腦輔助工程的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型併進行電腦模擬分析。一方面，CAE技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的複雜問題，通過電腦數值模擬得到滿意的解答；另一方面，電腦輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使

　　複雜的過程層次化，節省了大量的時間，避免了低水平重覆的工作，使工程分析更快、更準確。在產品的設計、分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用，同時CAE這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發展，技術的發展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步。

　　在影響電腦輔助工程技術發展的諸多因素中，人才、電腦硬體和分析軟體是三個最主要的方面。現代電腦技術的飛速發展，已經為CAE技術奠定了良好的硬體基礎。多年來，重視CAE技術人才的培養和分析軟體的開發和推廣應用，發達國家不僅在科技界而且在工程界已經具有一支較強的掌握CAE技術的人才隊伍，同時在分析軟體的開發和應用方面也達到了較高水平。

　　美國於1998年成立了工程電腦模擬和模擬學會(Computer Modeling and Simulation in Engineering)，其它國家也成立了類似的學術組織。各國都在投入大量的人力和物力，加快人才的培養。正是各行業中大批掌握CAE技術的科技隊伍推動了CAE技術的研究和工業化應用，CAE技術在國外已經廣泛應用於不同領域的科學研究，並普遍應用於實際工程問題，在解決許多複雜的工程分析方面發揮了重要作用。

　　國外對CAE技術的開發和應用真正得到高速的發展和普遍應用則是近年來的事。這一方面主要得益於電腦在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面則有賴於通用分析軟體的推出和完善。早期的CAE分析軟體一般都是基於大型電腦和工作站開發的，近年來PC機性能的提高，使採用PC機進行分析成為可能，促使許多CAE軟體被移植到PC機上應用。這顯然對CAE技術的推廣應用極為有利。

　　衡量CAE技術水平的重要標誌之一是分析軟體的開發和應用。目前，一些發達國家在這方面已達到了較高的水平，僅以有限元分析軟體為例，國際上不少先進的大型通用有限元計算分析軟體的開發已達到較成熟的階段並已商品化，如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。這些軟體具有良好的前後處理界面，靜態和動態過程分析以及線性和非線性分析等多種強大的功能，都通過了各種不同行業的大量實際算例的反覆驗證，其解決複雜問題的能力和效率，已得到學術界和工程界的公認。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業設計等許多領域中得到了廣泛的應用。

　　就CAE技術的工業化應用而言，西方發達國家目前已經達到了實用化階段。通過CAE與CAD、CAM等技術的結合，使企業能對現代市場產品的多樣性、複雜性、可*性、經濟性等做出迅速反應，增強了企業的市場競爭能力。在許多行業中，電腦輔助分析已經作為產品設計與製造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規範加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數的汽車零部件設計都必須經過多方面的電腦模擬分析，否則根本通不過設計審查，更談不上試製和投入生產。電腦數值模擬現在已不僅僅作為科學研究的一種手段，在生產實踐中也已作為必備工具普遍應用。

　　2、我國CAE技術現狀

　　隨著我國科學技術現代化水平的提高，電腦輔助工程技術也在我國蓬勃發展起來。科技界和政府的主管部門已經認識到電腦輔助工程技術對提高我國科技水平，增強我國企業的市場競爭能力乃至整個國家的經濟建設都具有重要意義。近年來，我國的CAE技術研究開發和推廣應用在許多行業和領域已取得了一定的成績。但從總體來看，研究和應用的水平還不能說很高，某些方面與發達國家相比仍存在不小的差距。從行業和地區分佈方面來看，發展也還很不平衡。

　　目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析軟體已經引進我國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業得到了應用，而且我們在某些領域的應用水平並不低。不少大型工程項目也採用了這類軟體進行分析。我國已經擁有一批科技人員在從事CAE技術的研究和應用，取得了不少研究成果和應用經驗，使我們在CAE技術方面緊跟住現代科學技術的發展。但是，這些研究和應用的領域以及分佈的行業和地區還很有限，現在還主要局限於少數具有較強經濟實力的大型企業、部分大學和研究機構。

　　我國的電腦分析軟體開發是一個薄弱環節，嚴重地制約了CAE技術的發展。在CAE分析軟體開發方面，我國目前至少落後於美國等發達國家十年。電腦軟體是高技術和高附加值的商品，目前的國際市場為美國等發達國家所壟斷。僅以有限元計算分析軟體為例，目前的世界年市場份額達5億美元，並且以每年 15%的速度遞增。相比之下，我國自己民族的軟體工業還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。作為一個國家，一個民族不能長期依賴於引進外國的技術和產品，因此我們必須加大力度開發自己的電腦分析軟體，只有這樣才能改變在技術上和經濟上受制於人的局面。

　　我國的工業界在CAE技術的應用方面與發達國家相比水平還比較低。大多數的工業企業對CAE技術還處於初步的認同階段，CAE技術的工業化應用還有相當的難度。這是因為，一方面我們缺少自己開發的具有自主知識產權的電腦分析軟體，另一方面大量缺乏掌握CAE技術的科技人員。對於電腦分析軟體問題，目前雖然可以通過技術引進以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟體的價格一般都相當貴，國內不可能有很多企業購買這類軟體來使用。而人才的培養則需要一個長期的過程，這將是對我國CAE技術的推廣應用產生嚴重影響的一個制約因素，而且很難在短期內有明顯的改觀。提高我國工業企業的科學技術水平，將 CAE

　　技術廣泛應用於設計與製造過程還是一項相當艱巨的工作。

　　3、CAE技術展望及對策

　　新的世紀已經來臨，在這信息化和網路化的時代，隨著電腦技術、CAE軟體和網路技術的進步，電腦輔助工程將得到極大的發展。

　　硬體方面，電腦將在高速化、小型化和大容量方面取得更大進步。可以預見，不久的將來PC機將在運行速度和存儲容量方面得到大幅度的提高，使許多CAE分析軟體都能在PC機上運行。這將為CAE技術的普及創造更好的硬體基礎，促進CAE技術的工業化應用。

　　軟體方面，現有的電腦模擬分析軟體將得到進一步的完善。大型通用分析軟體的功能將愈來愈強大，界面也將愈來愈友好，涵蓋的工程領域將愈來愈普遍。同時，適用於某些專門用途的專用分析軟體也將受到重視並被逐步開發完善起來。各行各業都將會具有適於各自領域的電腦模擬分析軟體。

　　網路化時代的到來也將對CAE技術的發展帶來不可估量的促進作用。現在許多大的軟體公司已經採用互聯網對用戶在其分析過程中遇到的困難提供技術支持。隨著互聯網技術的不斷發展和普及，通過網路信息傳遞，不僅對某些技術難題，甚至對於全面的CAE分析過程都有可能得到專家的技術支持，這必將在CAE 技術的推廣應用方面發揮極為重要的作用。

　　中國加入WTO後，我國的產品已不再可能依*政府來保護自己的市場，必須與國際接軌，面對國際市場。工業界必須對市場需求做出迅速反應，縮短工程設計周期，優化產品和節省造價，保證產品質量，才能贏得市場。為此，在產品的設計製造過程中應用CAD、CAE和CAM等技術是最好的選擇，這已經成為國際上科技界和工業界的共識。過去長期沿用的那些靜態的、孤立的、繁雜的、不准確的、甚至有時只能憑經驗進行的設計和分析方法必然將處於被淘汰的地位。我國的工業界要想在激烈的國際市場競爭中占有一席之地，就必須跟上現代科學技術的發展，從現在起就應該對CAE技術予以足夠的重視。

　　作為世界上發展速度最快的一個發展中國家，CAE技術水平的提高將對增強我國工業界的市場競爭能力，發展國民經濟發揮重要作用。因此，我們必須加大對CAE技術的投入，加快開發自己的電腦分析軟體，培養一批掌握CAE技術的人才。針對我國工業界，特別是中小企業的CAE技術還較為落後，缺乏專門人才的實際情況，如何利用飛速發展的互聯網技術將我們的人才和技術資源充分發揮出來為企業服務，是在CAE技術的發展中值得重視的一個問題。我國科技界、教育界和工業界應該攜起手來為CAE技術的研究開發、人才培養和工業化應用而共同努力。

　　鋼鐵工業是世界工業化過程中最具成長性的產業之一，長期成為各個工業化國家的重要產業。在我國，雖然整個現代化建設以傳統原材料為基礎的狀況已在發生改變，但鋼鐵仍是基本的結構材料和產量最大的功能材料。鋼鐵工業具有很強的產業關聯性，上游影響交通運輸、採礦、耐火材料等產業，下游影響建築、汽車、造船、金屬製品、機械電子等行業。

　　鋼鐵工業依然是工業化國家最重要的產業部門之一，其發展狀況也是衡量其工業水平和綜合國力的重要指標。

　　世界範圍內鋼鐵工業正面臨著新技術蓬勃發展、結構變革的局面。用高新技術改造傳統鋼鐵工業，加速結構優化，提高市場競爭力，是發展鋼鐵工業的主流趨勢。電腦輔助工程(CAE)技術以其高效率、低成本的優勢在鋼鐵工業中得到了廣泛的應用。通過CAE技術，可以對鋼鐵工業中從冶煉到加工的各個工藝過程進行電腦過程模擬、系統優化、自動控制，採用電腦對生產過程、工藝參數及生產結果進行模擬和對整個系統進行優化，．以實現生產的超前規劃和設計。

　　冶金設備作為冶金技術的載體，本身具有大型、重載、高速、連續、自動化、精密化等特點，而且往往工作在高溫、重載、高粉塵、大衝擊等惡劣條件下，許多性能無法採用實物試驗的方法獲得。近年來，國內外冶金生產中，不斷出現重大設備事故，也都涉及到設備的力學行為。同時，冶金工業的發展對機械設備的性能和使用條件提出了許多新的要求。如近年出現的短流程技術及連鑄連軋技術，這些關鍵技術集中表現為要解決的關鍵結構設計及力學問題，包括強度問題、運動學及動力學問題和傳熱及熱應力問題，也對冶金機械設計研究和開發提出了更高的要求。因此CAE技術在冶金設備的設計研究上也得到了廣泛的應用。

　　一、CAE技術在煉鐵生產及煉鐵機械方面的應用

　　CAE技術目前在煉鐵生產中取得的主要成果有：採用有限元法建立高爐複雜料面及中心裝焦條件下的煤氣流場和壓力場解析模型、高爐固態爐料流場和勢函數解析模型，分析高爐中心裝焦條件下的高爐狀況。利用CAE技術計算分析高爐冷卻水的穩定性、流速、冷卻水管與冷卻壁本體的間隙及冷卻的高度對長壽高效高爐冷卻壁壽命的影響。採用有限元法對高爐爐體結構進行應力分析等。

　　隨著鋼鐵冶煉工藝複雜性的增加，冶煉中溫度、化學能、流體、受力、電力、磁力、振動等多因素的影響越來越重要。因此考慮多個因素，進行多相多態介質耦合與多物理場耦合求解的冶煉過程模擬和分析將成為CAE技術研究和應用的重點。

　　在煉鐵機械設計優化方面，CAE主要發揮作用在於針對上料系統、燒結機、球團造球機、迴轉窯、開鐵口機、液壓泥炮、鑄鐵機等一系列相關設備的力學分析和優化設計，提高了機械設備的效率和壽命，降低了機械的製造成本，在改善噪音和震動方面也發揮了重要作用。

　　二、CAE技術在煉鋼生產及煉鋼設備方面的應用

　　CAE技術目前在煉鋼生產中取得的主要成果有：濺渣護爐狀態下轉爐溫度場的模擬分析；廢鋼預熱電爐內部的溫度場分析；吹氬鋼包內鋼液的流動狀態計算和實際測定；中間包的熱狀態的模擬計算；結晶器內連鑄坯熱彈塑性應力有限元數學模型的建立；連鑄小方坯凝固傳熱與應力分析耦合數學模型的建立；坯殼與結晶器壁問氣隙的大小和分佈有限元分析；結晶器磨損對坯殼凝固行為和力學行為的影響分析；連鑄彎月面區域凝固傳熱有限元模型的建立等。

　　在煉鋼機械設計優化方面，CAE技術主要成果有：大型轉爐爐殼應力分析；大型轉爐托圈機械應力及熱應力分析；通過研究連鑄凝固傳熱過程和結晶器溫度場、應力場等；對拉速、冷卻水流速、銅板厚度、水垢和銅板鍍層等工藝參數進行了優化，並對結晶器、中間包等設備進行了優化。

　　薄板坯連鑄連軋是極具優越性的短流程生產工藝，具有工序少、消耗低、生產率高的特點。近年來科技工作者利用CAE技術對其進行了大量的研究，主要集中在對薄板坯連鑄連軋的熱過程、薄板坯的補償加熱、應變等方面的分析。

　　利用CAE技術對半凝固態加工、液芯軋制等過程也開展了大量的理論研究工作，為生產工藝和設備的優化提供幫助。

　　三、CAE技術在軋鋼生產及軋鋼設備方面的應用

　　目前鋼鐵工業中CAE技術運用最廣泛的領域就是軋鋼生產。軋鋼生產的核心是材料加工過程，而CAE技術將物理冶金、現代材料學與計算力學、數值模擬技術相互結合，使材料加工過程的場變化(應力場、應變場、溫度場)、加工件的尺寸、形狀變化、產品組織性能缺陷等的模擬、模擬和預報成為可能。隨著電腦技術和軟體水平的不斷提高，CAE模擬已成功地代替了大部分軋制物理模擬，人們採用有限元數值模擬技術已成功地對各種軋制過程進行了三維解析與模擬，有效地用於參數優化、產品質量預報和設備設計，判斷變形過程是否可行或合理，並由軋件尺寸形狀預報和力學模擬轉到金屬組織性能預報和控制。

　　CAE技術在軋鋼生產中的應用主要分為以下三個方面：軋制變形過程分析；軋制過程溫度場分析；軋輥等軋鋼機械零件分析等。CAE技術為控制軋鋼過程及成品質量提供了理論依據。其中，大變形彈粘塑性熱力耦合，高剛度軋機及軋輥和軋件的多體耦合解析，特種斷面軋件的軋制過程模擬分析，軋件板型和板厚的精確控制調整等問題仍有待人們運用CAE技術去進行更深一步的探索和研究。

　　CAE技術已成為鋼鐵工業中新工藝和新產品的開發研製、生產工藝優化、設備能力考查和優化設計過程中不可缺少的重要手段。其應用前景也越來越廣。