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淺談先進制造技術CAE的發(fā)展及集成化發(fā)展的必要性
論文摘要：計算機輔助工程(CAE)，從字面講它包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面。但是傳統(tǒng)的CAE主要指用計算機對工程和產品的功能、性能與安全可靠性進行計算、優(yōu)化設計，對未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬仿真，及早發(fā)現設計缺隕，改進和優(yōu)化設計方案，證實未來工程/產品的可用性與可靠性。
論文關鍵詞：CAE;集成化;發(fā)展
計算機輔助工程(CAE)軟件是迅速發(fā)展中的計算力學、計算數學、相關的工程科學、工程管理學與現代計算機科學和技術相結合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品。CAE與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP軟件一起，已經成為企業(yè)家和工程師們實現工程/產品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。同時，也已成為專家、教授進行研究重要手段。
一、CAE的發(fā)展
CAE的理論基礎起源于20世紀40年代，1943年數學家首先涉及有限元分析領域，但由于手工計算的限制，直到1960年以后，隨著電子計算機的廣泛應用和發(fā)展，有限元技術依靠數值計算方法，才迅速發(fā)展起來。
隨著計算機的迅猛發(fā)展，70年代到80年代初，國外的CAE技術得以蓬勃發(fā)展。有限元分析技術在結構分析和場分析領域獲得了很大的成功，出現了許多著名的分析軟件如Nastran，I-DEAS等，此時的CAE主要在航空、航天、軍事等幾個領域中被使用。上世紀90年代是CAE技術的成熟壯大時期。大量的CAE軟件的涌現，使CAE技術幾乎遍及所有的制造業(yè)，CAE已經成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的重要技術。
CAE在提高工程/產品的設計質量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期方面發(fā)揮了重要作用，成為實現工程/產品創(chuàng)新的支撐技術。主要體現在：
(一)CAE功能不斷擴充，實現多結構耦合析，實現多物理場耦合分析，多尺度耦合分析，以及結構、構件及其材料的一體化設計計算與模擬仿真。
(二)基于Internet/Intranet的CAD(計算機輔助設計)/CAE(計算機輔助工程)/CAM(計算機輔助制造)/CAPP(計算機輔助工藝設計)/PDM(產品數據管理)/ERP(企業(yè)資源計劃)的集成化、網絡化、智能化。
所謂CAD/CAM集成是指在CAD、CAE、CAPP、CAM各模塊之間有關信息的自動傳遞和轉換。集成化的CAD/CAM系統(tǒng)借助于公共的工程數據庫、網絡通信技術、以及標準格式的中性文件接口，把分散于機型各異的計算機中的CAD/CAM模塊高效地集成起來，實現軟、硬件資源共享，保證系統(tǒng)內信息的流動暢通無阻。
二、CAE應用中存在的問題
目前，在CAE應用中存在以下亟待解決的問題：
(一)標準化
俗話說，國有國法，行有行規(guī)。在這個工業(yè)時代，標準化就是工業(yè)生產的行規(guī)。而隨著CAE技術在我國各行各業(yè)普及和應用的發(fā)展，確保CAE技術應用的標準化和規(guī)范化，便成為了迫在眉睫的事情。目前CAE的管理存在著以下幾個不足，其主要表現在：
1、軟件方面近年來，CAE軟件開發(fā)成為商家的一塊新蛋糕，市場上CAE軟件各式各樣，其性能的優(yōu)劣卻是參差不齊。多數企業(yè)在應用CAE技術方面面對林林總總的軟件無從選擇，急需規(guī)范CAE軟件上市的準入門檻。
2、缺乏對CAE技術人才的培訓和從業(yè)資格的認證。各行各業(yè)都有自己的資格認證考試，以此來規(guī)范和引導從業(yè)人員掌握相關技術及規(guī)范知識。建筑行業(yè)有建造師、監(jiān)理工程師，學校有教師資格證，打官司要有律師，可是像CAE這樣跨行業(yè)的新型學科卻沒有相關的規(guī)定，企業(yè)只能是跟著感覺走。
3、缺乏對不同行業(yè)CAE技術正確合理應用的技術指導�？傊�，隨著CAE技術的普及與發(fā)展，制定CAE行業(yè)標準也迫在眉睫。不可否認，由于CAE技術應用的多樣化與復雜化，要制定適用于所有行業(yè)的CAE技術應用標準規(guī)范是有一定難度的，甚至是不可能的。但是，如果分散開來，依據不同的行業(yè)特點，制定具體行業(yè)的CAE標準規(guī)范，如重機制造行業(yè)、汽車行業(yè)、建筑行業(yè)等等，這樣操作起來應該比較容易，也會比較有針對性。
(二)與CAD協(xié)同，消除數據交換障礙
長久以來CAD軟件、CAE軟件都是單兵作戰(zhàn)，數據交換障礙很難得到消除。我們希望能在一個統(tǒng)一的環(huán)境下直接讀入各種CAD軟件的零件模型，并在這一環(huán)境下實現任意模型裝配和CAE分析，整合相同或不同CAD軟件模型數據就能得到CAE分析用的CAD模型庫，這些模型庫中保留了CAD中的設計參數，并通過連接技術實現與CAD軟件之間的共享，其優(yōu)點是任何CAD和CAE人員對設計的改變都能立即反映到對方軟件環(huán)境中，從而實現設計-仿真的同步協(xié)調。只有真正消除了數據間的交換障礙，才能真正發(fā)揮出CAE軟件的強大功能。
(三)網絡化
計算機支持的協(xié)同工作的出現，為異地協(xié)同設計提供了環(huán)境支持，傳統(tǒng)的CAD/CAE/CAM技術也在向網絡化方向發(fā)展。隨著產品設計的復雜化及互聯網通信技術的日趨成熟，傳統(tǒng)的順序設計方式顯然已經過時，很難適應市場快速產品更新的競爭需求，企業(yè)各部門之間交互合作及數據共享，構建企業(yè)內部甚至企業(yè)之間的數字化設計交互虛擬平臺已不再只是概念化的問題，如何高效實現數據的同步及信息交互對提高產品的設計質量，縮短設計周期具有重要的現實意義。
(四)開放性
眾所周知，由于CAD技術和CAE技術的并行發(fā)展，使得在傳統(tǒng)意義上的CAD技術并不能實現和CAE技術的無縫對接。同時，根據虛擬仿真的對象、計算方法、物理場、應用行業(yè)等不同維度，CAE技術可以細分出很多單元技術。許多單元技術應用于特定行業(yè)、特定問題的CAE產品，各個領域的虛擬仿真結果得出了局部的性能仿真和改進建議，但是，單元的CAE產品無法實現產品整體性能提升，只能解決局部優(yōu)化問題，無法解決全局優(yōu)化問題。這就需要新開發(fā)的CAE軟件必須具有開放性，要為其他軟件提供開放的平臺。
(五)數據和系統(tǒng)兼容性
對產品進行虛擬仿真涉及到十分復雜的流程，而應用單元的CAE產品，需要手工管理仿真流程，導致虛擬仿真的效率不高。同時，數據的接收和系統(tǒng)的兼容成為了CAE技術發(fā)展的一個瓶頸。如何實現虛擬仿真流程的自動化，創(chuàng)建完整的仿真流程模板，并且能夠根據各個學科仿真的需求動態(tài)調整網格模型，提供統(tǒng)一的接口，這對于提升CAE技術的使用效率和質量非常關鍵。
(六)良好的數據管理機制
在這個信息大爆炸的年代，如何在海量的信息中找到自己有用的信息成為一個難題。同樣，在CAE虛擬仿真的過程中，生成了大量的、不同類型的仿真文檔和數據。例如：同樣的產品模型，應用同樣的CAE軟件，但不同的分析工程師，由于知識和經驗的差異，給出不同的參數，就會產生不同的數據，從而分析出來的結果差異會很大。因此，如何有效管理仿真文檔，如何建立分析文檔與產品模型的對應關系，如何建立虛擬仿真規(guī)范和知識庫，實現對虛擬仿真知識的捕捉和重用，是CAE技術深化應用必須解決的問題。
三、現代集成制造系統(tǒng)
現代集成制造系統(tǒng)(CIMS)的內涵是借助計算機，把企業(yè)中與制造有關的各種技術系統(tǒng)地集成起來，進而提高企業(yè)適應市場競爭的能力。這個概念強調了兩個方面：
(一)企業(yè)的各個生產環(huán)節(jié)是不可分割的，需要統(tǒng)一安排組織
(二)產品制造過程實質上是信息采集、傳遞、加工處理的過程
CIMS是一種先進的制造思想，但是由于當時技術水平的限制，直到80年代初，這個思想才被制造領域重視并采用。近十余年來，在市場競爭的激勵與相關技術進步的推動下，CIMS在實踐中被不斷充實、完善與發(fā)展。從這個概念出發(fā)，經歷了信息集成、過程集成和企業(yè)集成的研究和實踐，我們提出了現代集成制造系統(tǒng)(ContemporaryIntegratedManufacturingSystem，CIMS)的概念。四、我國的CIMS計劃
(一)信息集成
在企業(yè)內部實現信息正確、高速的共享和交換，是改善企業(yè)技術和管理水平必須首先解決的問題。信息集成對于提高企業(yè)的市場競爭力是有效的，但是直到現在實施信息集成的手段還比較落后。這使得企業(yè)CIMS應用工程開發(fā)周期長，質量不易得到保證。所以，信息集成在今后仍然是企業(yè)信息化的主要內容，也是實施諸如并行工程技術的基礎。在我國以信息集成為主要內容的CIMS應用工程，將仍是今后大多數企業(yè)信息化過程中必然要經歷的。
(二)過程集成
傳統(tǒng)串行作業(yè)的設計、開發(fā)過程，往往會造成產品開發(fā)過程中出現反復，使產品開發(fā)周期長、成本增加。如果把產品設計中的各個串行過程盡可能多地轉變?yōu)椴⑿泄こ�，在設計時考慮到下面工序中的可制造性、可裝配性，則可以減少反復，縮短開發(fā)時間。并行工程便是基于這一思想的一種先進制造模式。
(三)企業(yè)集成
為提高自身的市場競爭力，企業(yè)必須面對全球制造的新形勢，充分利用全球的制造資源，以便更好、更快、更節(jié)省地響應市場，這就是敏捷制造的來源。敏捷制造的組織形式是企業(yè)之間針對某一特定產品，建立企業(yè)動態(tài)聯盟(即所謂的虛擬企業(yè))。企業(yè)這種不斷結盟的能力正是企業(yè)敏捷性的標志之一。
隨著國際經濟的發(fā)展，特別是人工成本的增加，在制造業(yè)中發(fā)展CAE和CIMS已經成為必然趨勢。未來的工廠，將是CIMS的天下。
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