CAE软件的作用发展趋势以及如何发展我国的CAE软件产业

CAE软件的作用、发展趋势以及如何发展我国的CAE软件产业工程和制造企业的生命力在于工程和产品的创新，对于企业家和工程师来说，实现创新的关键，除了创新的思想和理念之外，就是采用最现代化的设计工具和技术手段，即先进可靠的CAE软件。CAE技术不仅可以在大型复杂的工程和产品的研发中发挥技术支撑作用，例如三峡工程、青藏铁路、飞机、舰船等，而且可以在日用家电等普通工业产品和零部件的自主研发中担当重要的角色。基本概念CAE应该包括计算机辅助于工程和产品研发的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算分析;进而扩充到对未来产品的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程和产品的可用性与可靠性;并对工程的施工过程和产品的加工、成型过程进行模拟仿真，优化工艺流程，提高工程或产品的质量和生产效率。CAE是一种迅速发展中的信息技术，是实现对工程和产品进行计算分析、模拟仿真，对设计方案和制造工艺进行优化的工程软件;是支持工程师进行创新设计的最重要的工具和手段，也是工程科学家进行科学和技术研究的三大手段之一。它可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能揭示或很难揭示的科学奥秘和科学规律;同时，它也是应用科学家的研究成果(包括：理论、方法和科学数据)的归属之一，做成软件和数据库，加入到CAE软件中，构成推动工程和产品创新的最新生产力。CAE的发展趋势计算机及其信息技术的飞速发展为CAE提供了强有力的技术支撑，计算数学、计算力学、计算工程科学和工程管理学的发展为CAE提供了新的科学知识，大型复杂工程建设和创新产品的研发则为CAE提供了强大的动力。未来十年间，伴随着航空航天、生物医学、信息技术等高科技及其产品的发展，CAE软件无论在功能上、还是性能上，都将会迅速增强与扩展。在功能方面，伴随着高科技工程和产品研发对可变形体与多体耦合体系分析、多相多态介质的多物理场耦合分析以及微机电系统计算分析的需求，CAE软件的如下功能会有明显的增强：可变形体与多体耦合体系的动力、振动分析;多相多态(流、固、气)介质耦合体系，在多物理场(力场、温度场、电磁场等)耦合作用下的非线性分析;微机电系统分析;以及材料及结构性能一体化的设计计算与多目标优化等。随着材料科学与材料制备技术的发展，新材料设计与制备正在被纳入创新工程和产品的研发之中。因此，需要从材料设计到工程/产品设计计算、优化于一体的CAE软件，辅助于材料设计、制备，构件与产品的设计与制造，整体模拟仿真，材料及结构性能的一体化优化，以及多物理场(热、力、电、磁等)耦合作用下的物理和力学性能计算与组合优化。值得指出，从基本组分材料及其就位性制成复合材料，从复合材料做成构件，再由构件装配成产品，存在着从微观、细观到宏观的多尺度现象。不同尺度的现象服从于不同的物理、力学模型，通过对宏观模型的细分，不能导致细观和微观模型;相反地，通过微观和细观模型的无限迭加，也难导致宏观模型。因此，在复杂的高科技工程和产品的精细分析中，一定会遇到时-空的多尺度耦合、多模型耦合、多物理场耦合和确定性-随机性耦合的复杂计算问题。目前，CAE软件基本上是局限于宏观物理、力学模型的工程和产品的分析。对于多物理场的强耦合问题、多相介质耦合问题，特别是材料与结构一体化的时-空多尺度耦合问题，虽然已经有了一些算法和软件，但是，总体来说，目前尚没有统一、可靠的理论和方法，尚处于基础性、前沿性研究阶段，它们已经成为国内外科学家主攻的目标。由于其强烈的工业背景，基础研究的任何突破，都会被迅速纳入CAE软件，以支持新兴工程与工业产品的技术创新。笔者深知，这方面存在着诸多的十分困难、充满挑战的基础研究、应用研究和技术研究课题。此外，在中小规模技术集成度的新产品研发中，除了利用CAE软件作为设计分析工具外，应用创新理论及其信息技术，实现计算机辅助于新产品的概念设计与雏形方案设计是非常必要的。在创新理论方面，发明问题解决理论(简称TRIZ理论)是一个比较成熟的理论。它是在研究大量(数百万个)专利技术的基础上，通过归纳总结人类发明创造、解决技术难题活动中所遵循的客观原理和法则，而形成的能够培养创新意识和创新能力、指导工程与产品创新实践的理论和方法体系。TRIZ理论以其良好的可操作性、系统性和实用性已经在全球创新理论研究中占有独特的地位。以TRIZ理论为基础，结合现代设计方法学、计算机技术和多种工程学科的原理，开发的计算机辅助于工程和产品创新(CAI)的软件，可以快速地为我们提供高质量的新产品创意和创新性的解决方案，支持企业在产业链的上游获得具有自主知识产权的创意，CAI是概念设计和方案设计阶段的重要支撑技术，它正在工程技术界、制造业界推广应用。图CAE的主要应用领域在CAE软件的运行性能和支撑技术方面，随着每秒千万亿次的计算机与机群系统的诞生，以及适应大规模并行计算的高性能算法的发展，一定会出现基于新的超级计算机系统的CAE软件。由于互联网已经将千万台各类计算机连接在一起，并且正在开发将互联网上所有硬件、软件、数据库及实验设备统一管理的、各类资源深度整合的网格计算系统;再加上大容量存储器及高速存取技术、真三维图形处理与虚拟现实技术、基于网络环境的面向对象的工程数据库技术的发展;以及在大型复杂工程/产品研发中并行工程、多个研发单位联合攻关的需求;发展基于互联网的、集成化与智能化的、支持协同工作的CAE系统，将成为CAE软件的一个重要发展方向。这样的CAE系统，对大型复杂工程和产品研发具有十分重要的应用价值。例如飞机、轮船、高速列车等，它们由数万到数百万个构件组成，其设计、分析、安装模拟和运行仿真，要涉及到数十个专业领域的技术人员。因此，他们要求CAE软件具有支持基于互联网环境的协同设计;具有实施真三维实体建模，复杂的动态物理场的快速显示，以及异质、异构数据资源整合的能力;具有丰富的产品数据库和知识发掘能力;具有友好的用户界面和支持用户正确使用软件的顾问系统等。发展国产CAE软件的建议伴随着建设创新型国家，我国的工程和制造企业的自主创新意识正在增强，它们对CAE的需求在迅速增加，由于它们也采用了并行工程，它们需要的同样是与CAD、CAM、PDM、ERP无缝连接的、具有专业特色的、集成化、智能化的CAE软件。这样的CAE软件一般都是一个庞大而复杂的、多学科知识和技术密集的工程软件系统。值得指出，多学科知识和技术的融合集成是现代CAE软件的基本特征。在应用上，CAE软件具有很强的工程性和专业性;在多学科知识的融合集成上，它具有很强的基础性和先进性，即应用力学、应用物理和材料科学在机理、模型和科学数据方面的最新成果，计算数学、计算力学和计算工程科学在计算模型和高性能算法方面的最新成果，都将迅速地被纳入CAE软件的算法库、模型库、材料库、工程数据库和知识库中;在支撑CAE软件研发和运行的技术上，它具有很强的先进性和实用性，即最先进实用的计算机系统、数据库技术、图形技术、网络技术、人工智能技术和网格计算技术等都将迅速地被用来支持CAE系统。由此可以看出，任何一个CAE软件都不是一蹴而就的，都需要长期地维护、完善、与时俱进地更新或扩充功能、提高性能，因此任何一个大型的CAE软件都需要专业的公司进行专业性的维护、扩充功能、营销和咨询服务，以保障用户能有效地使用到先进可靠的CAE软件。世界知名的CAE软件，例如ANSYS、NASTRAN已经分别有了30年和40年的生存期。在功能、性能、商品化程度和应用普及率方面，我国的CAE软件与先进国家存在较大差距，究其原因，除了20世纪八十、九十年代我国的工程和制造企业创新需求不旺、国家对这一技术领域持续性的科研投入不足之外，还有两个重要的原因：一是产、学、研结合得不好;二是CAE软件市场化机制不健全，缺少专业的公司对CAE软件进行长期有效的专业性维护、营销和咨询服务，用户的利益不能得到持续的保障。如前所述，CAE软件具有强烈的工程应用性、多学科知识集成的基础性、支撑技术的先进实用性、功能和性能更新扩充的持久性和咨询服务的专业性，这决定了CAE软件研发在我国一定要走产、学、研相结合的道路。应该由具有强烈自主创新意识和产业需求的企业牵头组织研发，它们可以为CAE软件提供动力、资金和应用场所;由高等学校和科研院所的专家、教授参加研发，它们可以为CAE软件提供专门的人才、知识和技术。为了发展我国自主知识产权的CAE软件产业，建议国家应加大对CAE软件及其共性技术领域的持续性科研投入。对于有专业特色的CAE项目，应该通过公开竞争选定有强烈自主创新意识和产业需求的大、中型企业或软件公司牵头组织研发，吸纳有专门知识和技术实力的高等学校和科研院所的专家、教授参与研制。对于CAE共性技术专题，可以通过公开竞争选定有实力的高等学校和科研院所的专家、教授独立研究。这里要特别强调持续性，CAE软件需要进行长期有效的维护和咨询服务，国家给与持续性的支持是十分必要的。特别是对于CAE软件的共性支撑技术研发，如果没有国家持续性的支持，必然造成人才转移，相应的中间技术半途而废。20世纪八十、九十年代，我国已经有了若干个有自主知识产权的CAE软件，现在它们落后了，究其原因，很重要的一点就是缺少国家持续性的投入与支持。鉴于我国现有的CAE软件与国外先进水平差距较大，建议有关部门和企业在组织拥有自主知识产权的CAE软件研发时，应该特别注重资源整合，利用一切可以利用的国内外软件资源，整合、改造有自主知识产权的CAE软件和经过可用性确认的软件。笔者认为，这不失为一条多、快、好、省的技术路线。建设创新型国家的目标极大地激发了我国工程和制造企业的创新理念和实施自主创新的积极性，经过前二三十年的磨练，我国已经造就了一批从事CAE软件研发、经营、应用和咨询服务的专业科技人才，只要国家和大中型企业加强对CAE软件研发和推广应用的持续性投入，我国的CAE软件产业一定会迎来一个辉煌灿烂的明天，为创新型国家建设做出应有的贡献。崔俊芝中国工程院院士，中国科学院数学与系统科学研究院研究员，曾任中国科学院计算中心主任、CODATA中国委员会副主席等职，主要研究领域是计算数学、计算力学和软件工程方法。独立与合作发表论文100余篇，出版专著3本;作为主要成员获得部、院二等奖以上奖励6次，包括国家自然科学二等奖1次，部、院级一等奖各1次，4次为第一获奖人。链接：CAE的发展沿革CAE起源于20世纪50年代中期。实用的CAE软件诞生于20世纪70年代初期。从1970年到1985年的15年间，是CAE软件的功能和算法的扩充和完善期，到了20世纪80年代中期，国际上逐步形成了数十个商品化的通用和专用的CAE软件。早期的通用CAE软件大都以有限元算法及其对工程和产品性能的计算分析为主体，现代的CAE软件除了有限元分析，即有限元自动剖分、有限元建模、单元库、材料库、解法库(线性和非线性求解器)、有限元后处理外，还集成了优化设计算法、智能决策算法、工程数据库技术、可视化技术，以及工程科学的专业知识、工程标准和规范等。CAE已经成为迅速发展中的计算数学、计算力学、计算工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合的，综合性、集成化、知识密集型的高科技产品。近25年，CAE软件发展很快，目前市场上的CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性方面，基本上满足了用户的当前需求，它们可以运行在超级并行机，大、中、小、微等各类计算机系统上。CAE与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已经成为支持工程和制造企业实施工程/产品创新的支撑技术。我国的CAE技术诞生于20世纪50年代末期，其发展基本上与国际同步。但是，国产的CAE软件，无论是功能、性能、商品化程度和应用的普及率，都与先进国家有很大的差距，软件研发人员也尝了较多的酸甜苦辣。