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試析先進(jìn)制造技術(shù)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。但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產(chǎn)品的功能、性能與安全可靠性進(jìn)行計算、優(yōu)化設計，對未來(lái)的工作狀態(tài)和運行行為進(jìn)行模擬仿真，及早發(fā)現設計缺隕，改進(jìn)和優(yōu)化設計方案，證實(shí)未來(lái)工程/產(chǎn)品的可用性與可靠性。
論文關(guān)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(xué)、計算數學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現代計算機科學(xué)和技術(shù)相結合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。CAE與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP軟件一起，已經(jīng)成為企業(yè)家和工程師們實(shí)現工程/產(chǎn)品創(chuàng )新的得力助手和有效工具。同時(shí)，也已成為專(zhuān)家、教授進(jìn)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(xué)家首先涉及有限元分析領(lǐng)域，但由于手工計算的限制，直到1960年以后，隨著(zhù)電子計算機的廣泛應用和發(fā)展，有限元技術(shù)依靠數值計算方法，才迅速發(fā)展起來(lái)。
隨著(zhù)計算機的迅猛發(fā)展，70年代到80年代初，國外的CAE技術(shù)得以蓬勃發(fā)展。有限元分析技術(shù)在結構分析和場(chǎng)分析領(lǐng)域獲得了很大的成功，出現了許多著(zhù)名的分析軟件如Nastran，I-DEAS等，此時(shí)的CAE主要在航空、航天、軍事等幾個(gè)領(lǐng)域中被使用。上世紀90年代是CAE技術(shù)的成熟壯大時(shí)期。大量的CAE軟件的涌現，使CAE技術(shù)幾乎遍及所有的制造業(yè)，CAE已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的重要技術(shù)。
CAE在提高工程/產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低研究開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期方面發(fā)揮了重要作用，成為實(shí)現工程/產(chǎn)品創(chuàng )新的支撐技術(shù)。主要體現在：
(一)CAE功能不斷擴充，實(shí)現多結構耦合析，實(shí)現多物理場(chǎng)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(chǎn)品數據管理)/ERP(企業(yè)資源計劃)的集成化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化。
所謂CAD/CAM集成是指在CAD、CAE、CAPP、CAM各模塊之間有關(guān)信息的自動(dòng)傳遞和轉換。集成化的CAD/CAM系統借助于公共的工程數據庫、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、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(lái)，實(shí)現軟、硬件資源共享，保證系統內信息的流動(dòng)暢通無(wú)阻。
二、CAE應用中存在的問(wèn)題
目前，在CAE應用中存在以下亟待解決的問(wèn)題：
(一)標準化
俗話(huà)說(shuō)，國有國法，行有行規。在這個(gè)工業(yè)時(shí)代，標準化就是工業(yè)生產(chǎn)的行規。而隨著(zhù)CAE技術(shù)在我國各行各業(yè)普及和應用的發(fā)展，確保CAE技術(shù)應用的標準化和規范化，便成為了迫在眉睫的事情。目前CAE的管理存在著(zhù)以下幾個(gè)不足，其主要表現在：
1、軟件方面近年來(lái)，CAE軟件開(kāi)發(fā)成為商家的一塊新蛋糕，市場(chǎng)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(shù)方面面對林林總總的軟件無(wú)從選擇，急需規范CAE軟件上市的準入門(mén)檻。
2、缺乏對CAE技術(shù)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(lái)規范和引導從業(yè)人員掌握相關(guān)技術(shù)及規范知識。建筑行業(yè)有建造師、監理工程師，學(xué)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(xué)科卻沒(méi)有相關(guān)的規定，企業(yè)只能是跟著(zhù)感覺(jué)走。
3、缺乏對不同行業(yè)CAE技術(shù)正確合理應用的技術(shù)指導�？傊�，隨著(zhù)CAE技術(shù)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(shù)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(shù)應用標準規范是有一定難度的，甚至是不可能的。但是，如果分散開(kāi)來(lái)，依據不同的行業(yè)特點(diǎn)，制定具體行業(yè)的CAE標準規范，如重機制造行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、建筑行業(yè)等等，這樣操作起來(lái)應該比較容易，也會(huì )比較有針對性。
(二)與CAD協(xié)同，消除數據交換障礙
長(cháng)久以來(lái)CAD軟件、CAE軟件都是單兵作戰，數據交換障礙很難得到消除。我們希望能在一個(gè)統一的環(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(shí)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(guò)連接技術(shù)實(shí)現與CAD軟件之間的共享，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(wǎng)絡(luò )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，傳統的CAD/CAE/CAM技術(shù)也在向網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。隨著(zhù)產(chǎn)品設計的復雜化及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的日趨成熟，傳統的順序設計方式顯然已經(jīng)過(guò)時(shí)，很難適應市場(chǎng)快速產(chǎn)品更新的競爭需求，企業(yè)各部門(mén)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(wèn)題，如何高效實(shí)現數據的同步及信息交互對提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，縮短設計周期具有重要的現實(shí)意義。
(四)開(kāi)放性
眾所周知，由于CAD技術(shù)和CAE技術(shù)的并行發(fā)展，使得在傳統意義上的CAD技術(shù)并不能實(shí)現和CAE技術(shù)的無(wú)縫對接。同時(shí)，根據虛擬仿真的對象、計算方法、物理場(chǎng)、應用行業(yè)等不同維度，CAE技術(shù)可以細分出很多單元技術(shù)。許多單元技術(shù)應用于特定行業(yè)、特定問(wèn)題的CAE產(chǎn)品，各個(gè)領(lǐng)域的虛擬仿真結果得出了局部的性能仿真和改進(jìn)建議，但是，單元的CAE產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現產(chǎn)品整體性能提升，只能解決局部?jì)?yōu)化問(wèn)題，無(wú)法解決全局優(yōu)化問(wèn)題。這就需要新開(kāi)發(fā)的CAE軟件必須具有開(kāi)放性，要為其他軟件提供開(kāi)放的平臺。
(五)數據和系統兼容性
對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬仿真涉及到十分復雜的流程，而應用單元的CAE產(chǎn)品，需要手工管理仿真流程，導致虛擬仿真的效率不高。同時(shí)，數據的接收和系統的兼容成為了CAE技術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。如何實(shí)現虛擬仿真流程的自動(dòng)化，創(chuàng )建完整的仿真流程模板，并且能夠根據各個(gè)學(xué)科仿真的需求動(dòng)態(tài)調整網(wǎng)格模型，提供統一的接口，這對于提升CAE技術(shù)的使用效率和質(zhì)量非常關(guān)鍵。
(六)良好的數據管理機制
在這個(gè)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(gè)難題。同樣，在CAE虛擬仿真的過(guò)程中，生成了大量的、不同類(lèi)型的仿真文檔和數據。例如：同樣的產(chǎn)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(jīng)驗的差異，給出不同的參數，就會(huì )產(chǎn)生不同的數據，從而分析出來(lái)的結果差異會(huì )很大。因此，如何有效管理仿真文檔，如何建立分析文檔與產(chǎn)品模型的對應關(guān)系，如何建立虛擬仿真規范和知識庫，實(shí)現對虛擬仿真知識的捕捉和重用，是CAE技術(shù)深化應用必須解決的問(wèn)題。
三、現代集成制造系統
現代集成制造系統(CIMS)的內涵是借助計算機，把企業(yè)中與制造有關(guān)的各種技術(shù)系統地集成起來(lái)，進(jìn)而提高企業(yè)適應市場(chǎng)競爭的能力。這個(gè)概念強調了兩個(gè)方面：
(一)企業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節是不可分割的，需要統一安排組織
(二)產(chǎn)品制造過(guò)程實(shí)質(zhì)上是信息采集、傳遞、加工處理的過(guò)程
CIMS是一種先進(jìn)的制造思想，但是由于當時(shí)技術(shù)水平的限制，直到80年代初，這個(gè)思想才被制造領(lǐng)域重視并采用。近十余年來(lái)，在市場(chǎng)競爭的激勵與相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，CIMS在實(shí)踐中被不斷充實(shí)、完善與發(fā)展。從這個(gè)概念出發(fā)，經(jīng)歷了信息集成、過(guò)程集成和企業(yè)集成的研究和實(shí)踐，我們提出了現代集成制造系統(ContemporaryIntegratedManufacturingSystem，CIMS)的概念。
四、我國的CIMS計劃
(一)信息集成
在企業(yè)內部實(shí)現信息正確、高速的共享和交換，是改善企業(yè)技術(shù)和管理水平必須首先解決的問(wèn)題。信息集成對于提高企業(yè)的市場(chǎng)競爭力是有效的，但是直到現在實(shí)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(kāi)發(fā)周期長(cháng)，質(zhì)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(shí)施諸如并行工程技術(shù)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(guò)程中必然要經(jīng)歷的。
(二)過(guò)程集成
傳統串行作業(yè)的設計、開(kāi)發(fā)過(guò)程，往往會(huì )造成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現反復，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、成本增加。如果把產(chǎn)品設計中的各個(gè)串行過(guò)程盡可能多地轉變?yōu)椴⑿泄こ�，在設計時(shí)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(kāi)發(fā)時(shí)間。并行工程便是基于這一思想的一種先進(jìn)制造模式。
(三)企業(yè)集成
為提高自身的市場(chǎng)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、更節省地響應市場(chǎng)，這就是敏捷制造的來(lái)源。敏捷制造的組織形式是企業(yè)之間針對某一特定產(chǎn)品，建立企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)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(zhù)國際經(jīng)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(jīng)成為必然趨勢。未來(lái)的工廠(chǎng)，將是CIMS的天下。
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