CAD/CAE的區(qū)別與系統(tǒng)發(fā)展

1.前言

　　設(shè)計(jì)分析一體化是目前所有CAD公司追求的一個(gè)主要目標(biāo)，其核心意圖就是為了實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮產(chǎn)品的性能和優(yōu)化，提升產(chǎn)品質(zhì)量和改善產(chǎn)品性能。
 

　　2.幾個(gè)重要概念及其誤區(qū)

　　a)什么是CAD?

　　CAD，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)，其概念和內(nèi)涵正在不斷地發(fā)展中。1972年10月，國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)(IFIP)在荷蘭召開(kāi)的“關(guān)于CAD原理的工作會(huì)議”上給出如下定義：CAD是一種技術(shù)，其中人與計(jì)算機(jī)結(jié)合為一個(gè)問(wèn)題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長(zhǎng)，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。CAD是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、分析和編寫(xiě)技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱(chēng)。

　　b)什么是CAE?

　　CAE(Computer Aided Engineering)計(jì)算機(jī)輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問(wèn)題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過(guò)去受條件限制無(wú)法分析的復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿(mǎn)意的解答;另一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使復(fù)雜的過(guò)程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。

　　c)什么是設(shè)計(jì)(Design)

　　最簡(jiǎn)單的關(guān)于設(shè)計(jì)的定義、就是一種“有目地的創(chuàng)作行為”。

　　根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)師 Victor Papanek 的定義，設(shè)計(jì)(design)是為構(gòu)建有意義的秩序而付出的有意識(shí)的直覺(jué)上的努力。更詳細(xì)的定義如下：

　　第一步：理解用戶(hù)的期望、需要、動(dòng)機(jī)，并理解業(yè)務(wù)、技術(shù)和行業(yè)上的需求和限制;

　　第二步：將這些所知道的東西轉(zhuǎn)化為對(duì)產(chǎn)品的規(guī)劃(或者產(chǎn)品本身)，使得產(chǎn)品的形式、內(nèi)容和行為變得有用、能用，令人向往，并且在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行。(這是設(shè)計(jì)的意義和基本要求所在)

　　這個(gè)定義可以適用于設(shè)計(jì)的所有領(lǐng)域，盡管不同領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)從形式、內(nèi)容到行為上均有所不同。

　　1978年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng) Herbert Simon 發(fā)表著名文章對(duì)設(shè)計(jì)給出著名定義“設(shè)計(jì)就是找到一種行動(dòng)方式 ，目的是把現(xiàn)狀變成自己更喜歡的樣子 ”

　　d)幾個(gè)誤區(qū)：

　　i.誤區(qū)1 計(jì)算機(jī)輔助制圖是CAD

　　計(jì)算機(jī)輔助制圖(Computer Aided Drafting)，簡(jiǎn)寫(xiě)為CAD，譬如我們熟知的AutoCAD輔助制圖軟件，幾乎成了CAD的代名詞。目前我國(guó)絕大數(shù)機(jī)械工程師都是二維或三維軟件的使用者，他們最終都需要生成二維工程圖紙。三維制圖和二維制圖最大的區(qū)別是直觀性大為增強(qiáng)，但是本質(zhì)上沒(méi)有改變制圖的地位。因此計(jì)算機(jī)輔助制圖不是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

　　ii.誤區(qū)2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)就是CAD

　　從前面關(guān)于設(shè)計(jì)的定義，設(shè)計(jì)包含了人、知識(shí)、工具、環(huán)境等多方面的結(jié)合，因此CAD僅僅只是工具，利用適合設(shè)計(jì)者的工具可以幫助設(shè)計(jì)者更快、更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　iii.CAE是有限元分析(FEA)

　　CAE(Computer Aided Engineering)計(jì)算機(jī)輔助工程，涉及到多學(xué)科的問(wèn)題，針對(duì)不同的學(xué)科，產(chǎn)生了各種仿真分析的數(shù)學(xué)工具。如FEA(有限元分析)，多體動(dòng)力學(xué)，CFD(計(jì)算流體力學(xué))，有限差分法，邊界元法，無(wú)網(wǎng)格法，加權(quán)余量法等等。他們針對(duì)不同的領(lǐng)域，各具優(yōu)勢(shì)。如FEA適合解決結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、疲勞等問(wèn)題;多體動(dòng)力學(xué)適合解決多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性;CFD適合解決流體的流動(dòng)和熱問(wèn)題;因此FEA僅僅是CAE的一個(gè)領(lǐng)域。

　　iv.誤區(qū)3 CAE獨(dú)立于CAD

　　從前面關(guān)于CAD的定義“ CAD是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、分析和編寫(xiě)技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱(chēng)。”CAD中必須含有分析(CAE)，也就是說(shuō)面對(duì)設(shè)計(jì)，CAE是CAD的子集，缺少了CAE的CAD系統(tǒng)是不完整的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。下圖徹底揭示了計(jì)算機(jī)輔助制圖、CAE和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的真正內(nèi)涵。

　　現(xiàn)在幾乎所有的CAD廠家都認(rèn)識(shí)到CAE的重要性，都先后在CAD環(huán)境中加入了CAE，雖然功能有弱有強(qiáng)，但是都充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)分析一體化是CAD/CAE系統(tǒng)的發(fā)展方向。下面將具體論述設(shè)計(jì)分析一體化的CAD/CAE系統(tǒng)的將成為發(fā)展的必然。

　　3.以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向

　　在制造型企業(yè)中CAE的目的優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因此分析應(yīng)該無(wú)縫融入到設(shè)計(jì)過(guò)程中。因此，單一無(wú)縫的CAD/CAE界面是使用的基礎(chǔ)。另外，仿真分析如何無(wú)縫的融入設(shè)計(jì)過(guò)程，減少設(shè)計(jì)人員使用CAE系統(tǒng)的難度也是目前發(fā)展的方向。仿真向?qū)У燃夹g(shù)精彩的體現(xiàn)了“以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向”的先進(jìn)思路。

　　下面以SolidWorks的Simulation產(chǎn)品簡(jiǎn)單介紹，從SolidWorks2009開(kāi)始，其著名的FEA軟件COSMOSWorks改名為SolidWorks Simulation。其為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案，在無(wú)縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無(wú)縫融入到SolidWorks的設(shè)計(jì)過(guò)程中。

　　SolidWorks Simulation的仿真向?qū)В韵骂檰?wèn)向?qū)В核憷檰?wèn)(圖2)、性能顧問(wèn)(圖 3)、約束和載荷顧問(wèn)、連接顧問(wèn)、結(jié)果顧問(wèn)

　　圖2算例顧問(wèn) 圖3性能顧問(wèn)

　　4.分析功能高級(jí)化;

　　實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)用環(huán)境非常復(fù)雜，因此僅進(jìn)行零件級(jí)別的分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須進(jìn)行系統(tǒng)及部件級(jí)的分析。但是系統(tǒng)及部件級(jí)的分析存在著相當(dāng)?shù)碾y度，下面分別論述。

　　a)系統(tǒng)及部件級(jí)分析

　　以FEA為例，為了實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的分析，設(shè)計(jì)的幾何部件會(huì)需要不同的單元類(lèi)型，實(shí)體、殼、梁、桿進(jìn)行離散。而且需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。

　　其中連接關(guān)系的處理尤其重要，涉及到螺栓連接、銷(xiāo)釘連接、彈簧、點(diǎn)焊、軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系(圖4)。

　　圖4 面向設(shè)計(jì)者及分析專(zhuān)家的裝配體連接關(guān)系

　　b)多領(lǐng)域的全面分析

　　任何一個(gè)產(chǎn)品決計(jì)不能僅考慮靜強(qiáng)度，必須考慮多領(lǐng)域的問(wèn)題，比如靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞、參數(shù)優(yōu)化等。圖5展示了在統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析。

　　圖5統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析 圖6 面向設(shè)計(jì)者的多場(chǎng)耦合分析

　　c)面向設(shè)計(jì)者的多場(chǎng)耦合

　　熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)、多體動(dòng)力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場(chǎng)分析是目前分析中的一個(gè)重要發(fā)展方向，他可以解決非常復(fù)雜的工程問(wèn)題(圖6)。

　　d)特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求

　　面對(duì)很多行業(yè)有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模塊。例如面對(duì)壓力容器，需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具(圖7);面對(duì)電子和消費(fèi)品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力(圖8)。

　　圖7壓力容器應(yīng)力線性化 圖8 望遠(yuǎn)鏡跌落分析

　　e)高級(jí)分析需求

　　面對(duì)日益復(fù)雜的使用環(huán)境，必須考慮復(fù)合材料、材料非線性、高級(jí)機(jī)械振動(dòng)、非線性動(dòng)力學(xué)等高級(jí)分析的需求。5.面向制造的分析

　　面向制造的分析也是目前CAD環(huán)境下的一大趨勢(shì)，例如可制造性分析、公差分析等。

　　6.易用與性能的矛盾

　　目前CAD/CAE軟件使用上越來(lái)越簡(jiǎn)單，但是同時(shí)帶來(lái)的矛盾是性能越來(lái)越差，如何提升性能與易用性之間的矛盾是目前的一大難題。因此各CAD廠商分別推出了適合自己產(chǎn)品的新技術(shù)。如SolidWorks2009推出了劃時(shí)代的SpeedPak技術(shù)解決了大型裝配體設(shè)計(jì)、裝配和工程圖性能的問(wèn)題。其CAE產(chǎn)品線更在大裝配、多CPU/多核等的FEA分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)及CFD做了極大改善?？蓞⒁?jiàn)筆者的文章“SolidWorks 2009性能詳解”。

　　7.人性化及智能性

　　如何使現(xiàn)有的CAD及CAE系統(tǒng)體現(xiàn)以人為本的思想，是目前發(fā)展的一大方向。因此在面向普通設(shè)計(jì)者時(shí)，對(duì)于深?yuàn)W的CAE名詞、概念及方法是必須摒棄的。

　　因此在使用時(shí)必須站在設(shè)計(jì)者的角度組織CAE使用習(xí)慣及考慮自動(dòng)的上下關(guān)聯(lián)智能操作。

　　8.知識(shí)工程

　　設(shè)計(jì)及分析知識(shí)作為企業(yè)最寶貴的財(cái)富，如何繼承、組織、歸納和繼承知識(shí)是知識(shí)工程的一大應(yīng)用領(lǐng)域。這里面涉及到分析庫(kù)(圖9)、及PDM集成CAE技術(shù)等多方面的需求。

　　圖9 集成在設(shè)計(jì)環(huán)境中的分析庫(kù) 圖10 全產(chǎn)品線的開(kāi)放性

　　9.開(kāi)放性

　　基于通用系統(tǒng)的專(zhuān)用平臺(tái)是很多企業(yè)提高其使用能力和效率的方法，因此CAD/CAE平臺(tái)的開(kāi)放性是必須的，而且必須能支持最先進(jìn)的.Net技術(shù)，并且能提供基于.Net的SDK開(kāi)發(fā)包。圖10為SolidWorks全產(chǎn)品線的開(kāi)放性API。