1、第四章 产品设计信息化,计算机辅助设计 CAD 计算机辅助工程分析 CAE 计算机辅助工艺规划 CAPP 计算机辅助制造 CAM 产品数据管理 PDM 基于PDM的4CP集成 网络化协同设计,1.计算机辅助设计CAD,CAD概念CAD的发展CAD软件产品,计算机辅助设计(computer aided design, CAD )是指工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。 CAD的功能可归纳为四大类：数字建模、工程分析、动态模拟和自动绘图。一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。,(1) CAD概念,人
2、机交互接口是设计、开发、应用和维护CAD系统的界面，已经经历了从字符用户接口、图形用户接口、多媒体用户接口到网络用户接口的发展过程。图形系统是CAD系统的基础。它主要包括几何(特征)造型、自动绘图(二维工程图、三维实体图等)、动态仿真等，其中几何(特征)造型主要有三维线框造型、曲面造型、实体造型和特征造型等。科学计算是CAD系统的主体。它主要包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等。工程数据库是CAD系统的核心。它主要是对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、图像、文档等进行存储和管理。,随着CAD技术的发展和人们需求的不断提高，人工智能和专家系统技术也逐渐融入CAD系
3、统中，这样就形成了智能CAD。智能CAD的使用可大大提高设计的自动化水平，特别是可对产品进行总体方案设计，实现对产品设计全过程的支持。只有一台计算机的CAD系统，称为单机CAD系统；基于多台计算机通过网络互相连接的CAD系统，称为网络CAD系统。网络CAD可以充分利用信息资源，发挥更大的效能。,CAD起步于50年代后期。进入60年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展起来。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时CAD的含义仅仅是图板的替代品。CAD以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。近十年
4、来占据绘图市场主导地位的是Autodesk公司的AutoCAD软件。在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。,(2) CAD的发展,70年代以后，CAD技术的发展经历了四次大的飞跃：1) 第一次CAD技术革命“贵族化”的曲面造型系统60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。,CAD的四次大飞跃,进入70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线
5、的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。,此时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现，标志着计算机辅助设计技
6、术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。,曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到只需约3年。80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD软件榜首，并且保持了许多年。最近几年，从造型理论上来说，CATIA并没有突破性的进展，但其庞大用户群的巨大惯性以及由IBM提供
7、的约3亿美元的强有力系统集成支持，使得它依然排在CAD行业前列。,(2) 第二次CAD技术革命生不逢时的实体造型技术80年代初，CAD系统价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以CV、SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在CAD技术方面也进行了许多开拓性工作；UG则着重在曲面技术的基础
8、上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求；CV和CALMA则将主要精力都放在CAD市场份额的争夺上。,有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。
9、基于这样的共识，各软件纷纷仿效。可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。,但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映还不强烈；另外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。各公司的技术取向再度分道扬镳。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次技术革命的S
10、DRC公司与幸运之神擦肩而过，失去了一次大飞跃的机会。在以后的10年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。在这段矛盾碰撞、技术起伏跌宕时期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高较大。由于CV提出了集成各种软件，为企业提供全方位解决方案的思路，并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一跃成为CAD领域的领导者，市场份额上升到第1位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀。,(3) 第三次CAD技术革命 一鸣惊人的参数化技术正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于无约束自
11、由造型的话，进入80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克。对于是否马上投资发展这项技术，CV内部展开了激烈的争论。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具(如实体曲面
12、问题等)，更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，CV公司内部否决了参数化技术方案。,策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司PTC(parametric technology corp.) ，开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力使
13、用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了中低档的Pro/E软件。,CAD的市场分布基本上呈金字塔型。在高端的三维系统与低端的二维绘图软件之间存在一个非常大的中档市场。PTC在起家之初即瞄准这个充满潜力的市场，迎合众多中小企业上CAD的需求，获得了巨大的成功。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。踌躇满志的PTC先行挤占低端的AutoCAD市场，致使在几乎所有的CAD公司营业额都呈上升趋势的情况下，Autodesk公司营业额却增长缓慢，市场排名连续下
14、挫；继而PTC又试图进入高端CAD市场，与CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算进入汽车及飞机制造业市场。目前，PTC在CAD市场份额排名上已名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。,(4) 第四次CAD技术革命更上层楼的变量化技术参数化技术的成功应用，使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用，包括CAM和CAE接口等，在CAD方面也做了许多应用模块开发。重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，因为这
15、样做意味着必须将软件全部重新改写，何况他们在参数化技术上并没有完全解决好所有问题。因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种“参数化”的不完整性以及需要很长时间的过渡时期，CV、CATIA、UG在推出自己的参数化技术以后，均宣传自己是采用复合建模技术，并强调复合建模技术的优越性。,这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，只是主模型技术的“雏形”，难以全面应用参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，才能被系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其它
16、不利条件。这样的系统由于其在参数化技术上和非参数化技术上均不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。1990年以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技术，当时也面临同样的抉择：要么同样采用逐步修补方式，继续将其I-DEAS软件“参数化”下去，这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高；但是否一定要走参数化这“华山一条路”呢？积数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。,全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须
17、将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸(即所谓的“参数”)为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。实事上，全约束是对设计者的一种硬性规定。“一定要全约束吗？”“一定要以尺寸为设计的先决条件吗？”“欠约束能否将设计正确进行下去？”沿着这个思路，在对现有各种造型技术进行了充分地分析和比较以后，一个更新颖大胆的设想产生了。SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进
18、的实体造型技术变量化技术，作为今后的开发方向。于是，从1990至1993年，历经3年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。,众所周知，已知全参数的方程组去顺序求解比较容易。但在欠约束的情况下，其方程联立求解的数学处理和在软件实现上的难度是可想而知的。SDRC攻克了这些难题，并就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空
19、间和机遇。而且SDRC这几年业务的快速增长，也证明了它走的这条当时看起来是充满风险的研发道路是绝对正确的。I-DEAS MS1发布时，SDRC市场排名仅位居第9，而在此以后，SDRC每年的排位都要超越一、两位同行，截止到2001年，SDRC的市场排名已上升至第3位。无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD发展的第四次技术革命。,CAD的发展历程，除上述“二维绘图曲面造型实体造型参数化技术变量化技术”的技术主线外，伴随着计算机技术的发展，还经历着在“大型机中型机小型机工作站微机”上的应用主线，目前主要在工作站和微机上应用。此外，随着网络技术的发展，又经历着“单机版网络版”的发展主线。目前，
20、CAD技术还在不断发展，正在向标准化、可视化(包括虚拟设计)、开放化、智能化、集成化和网络化方向发展。CAD经过半个世纪的发展，现已发展成为一个软件产业，广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑等领域。,我国CAD技术的开发与应用起步于20世纪70年代后期，“八五”期间，国家曾发出“甩掉图板”的号召，来启动“CAD应用工程”。在“CAD应用工程”起步之际，国内的CAD市场基本上是国外软件产品一统天下。实施“CAD应用工程”的两大战略目标一是在企业推广应用CAD技术，二是建立起国产自主版权的CAD系统开发、生产与销售服务产业。“CAD应用工程”实施以来，各高等院校、科研院所
21、、软件开发公司在“抓应用、促发展、见效益”的方针引导下，开发了一批商品化的国产软件并基本形成了产业，打破了国外CAD软件商一统天下的局面，特别是“九五”后三年，在产业化方面取得了突破性的进展。自主版权二维CAD软件在功能完善、性能稳定、系列化、售前售后服务等方面也有了较大的提升，已与国际知名产品相当，在售前售后服务上他们较之国外公司对国内需求有更为深刻的理解和更富个性化的实施策略，深得国内用户的欢迎，已经拥有广泛的用户群并具有一定的品牌效应。如清华英泰、武汉开目、北航海尔、浙江大天、武汉天喻等国产品牌的CAD软件产品，国内市场占有率达80%以上。,我国CAD的应用情况,2001年6月26日，国
22、家科技部在京召开了“九五CAD应用工程”验收会，专家组认为：“九五”期间，“CAD应用工程技术开发与应用示范”项目所创造的社会经济效益巨大，CAD技术的应用已经辐射到机械、工程设计、船舶、航空航天、汽车、轻工和纺织等制造业。此外，我国CAD应用工程项目累计投入24.3亿元，新增产值1073.2亿元，平均投入产出比为1：44.2。自主版权的CAD软件年销售额6.5亿元，其中年产值超3000万元的CAD软件企业有7家，合计年产值近4亿元，集中度超过65%。以上数字充分证明了我国的CAD应用工程，不论从技术研发、市场培育，还是应用成果，正在走向一个新的时期。但是，我们也应该看到，目前我国只有二维CA
23、D等少数产品具有和国外同类产品相抗衡的能力，绝大部分国内市场仍被外国产品所占据。我们还有很长的路要走。,(3) CAD软件产品,国外CAD软件,国内CAD软件,2. 计算机辅助工程 CAE,CAE概念 CAE的发展 CAE软件产品,计算机辅助工程分析(computer aided engineering, CAE)主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺损，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产
24、品。CAE软件可以分专用和通用两类。针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件，通用CAE软件的主体是有限元软件。,(1) CAE概念,应用CAE对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历如下步骤：(1) 前处理应用图形软件首先对工程或产品进行实体建模，进而建立有限元分析模型。(2) 有限元分析针对有限元模型进行单元分析，有限元系统组装，有限元系统求解以及有限元结果生成。(3) 后处理根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分
25、析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了30多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具。,自1943年数学家Courant第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求
26、解St. Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但一直到1960年以后，随着电子计算机广泛应用和发展，有限单元技术这门特别依赖于数值计算的学科才真正步入飞速发展时期。由于其所涉及的问题和算法基本上全部来源于工程之中、应用于工程之中，因而CAE遂成为这门学科的名称。现代有限单元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题。这是Turner、Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。,(2) C
27、AE的发展,19631964年BesselinS、Melosh和Jones等人证明了有限单元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。几十年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助设计技术的结合越来越紧密。,有限元理论的逐步成熟及计算机硬件的迅速发展使
28、得CAE经历了60年代的探索发展时期，70年代至80年代的独立发展专家应用时期，直到90年代与CAD相辅相成的共同发展、推广使用时期。 (1) CAE技术的探索发展阶段由于6070年代，有限元的理论尚处在发展阶段，这个时期有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航天航空技术发展过程中所遇到的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。同时针对当时计算机硬件内存少、磁盘空间小、计算速度慢的特点进行计算方法的改进，针对软件进行适应性研究。在这种技术及商业需求的推动下：,1963年Dr. Richard Mac Neal和Mr. Robert Schwendler投资成立了MSC公司，开发称之为SA
29、DSAM(structural analysis by digital simulation of analog methods)的结构分析软件。1965年MSC参与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算结构分析方法研究。其程序SADSAM更名为MSC/Nastran。1967年在美国NASA的支持下，Structural Dynamics Research Corporation(SDRC)公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包。1971年推出商用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS)。1970年Dr. John A. Swanson成立了Swa
30、nson Analysis System Inc. (SASI) ，后来重组后改称ANSYS公司，开发ANSYS软件。,至此，世界上CAE的三大公司先后完成了组建工作，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。时至今日，这三大巨头主导CAE市场的格局基本上保持了下来。只是在发展方向上，MSC和ANSYS比较专注于非线性分析市场，SDRC更偏向于线性分析市场，同时SDRC发展起了自己的CAD/CAM/PDM技术。,(2) 7080年代CAE技术的蓬勃发展时期这一时期成立了许多别的分析软件公司。这个时期CAE发展的几个特点： 1) 软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配，计算机内存的有效利
31、用及磁盘空间利用。2) 有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场(如温度场、电磁场、声波场等)的分析。从线性分析向非线性分析(如材料为非线性，几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展。从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADINA、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS、NIKE3D与WECAN等。3) 使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。,(3) 90年代CAE技术的成熟壮大阶段CAD经过二十几
32、年的发展，为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。这期间各CAD软件开发商一方面大力发展本身CAD软件的CAE功能，如世界排名前几位的CATIA、CADDS、UG都增加了基本的CAE前后置处理及一般线性、模态分析功能，或者通过并购另外的CAE软件来增加其软件的CAE能力，如PTC对Rasna的收购。在CAD软件商大力增强其软件CAE功能的同时，各大分析软件也在向CAD靠拢。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。如MSC/Nastran在1994年收购了patran作为自己的前后置处理软件，并先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样ANSYS
33、也在大力发展其软件ANSYS/Prepost前后置处理功能。而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能强大的优势，积极开发与别的设计软件的CAD模型传输接口，先后投放了Pro/E to I-DEAS、CATIA to/from I-DEAS、UG to/from I-DEAS、CADDS4/5 Solid to/from I-DEAS等专用接口；在此基础上再增强I-DEAS的前后置处理功能，以保证CAD/CAE的相关性。,CAE的发展给CAE的应用带来如下新特点：1) 应用领域越来越宽CAE涉及军事、航空、航天、机械、电子、化工、汽车、生物医学、建筑、能源、计算机设备等各个领域。学科涉及到固
34、体力学、流体力学、电磁学、化学等。不仅应用范围发生了变化，而且软件的使用者也发生了巨大变化。使用者从分析专家转向设计者和设计工程师。2) 分析人员将主要时间和精力转向前后处理如果把整个分析过程分解为前处理、求解、后处理，则前处理将包括建立几何模型、几何模型输出准备、整理输入几何、网格划分、定义边界条件(载荷及约束)。而求解和后处理相对简单。由于计算机硬件速度的提高以及分析软件计算方法的改进，求解时间仅占4%。相比之下在整个分析过程中前处理占用了87%的时间，后处理占用了9%的时间。3) 单一有限元模型应用于多种分析求解目前在产品开发中，产品评估(PE)的概念已经开始广为人们接受。产品评估包含了
35、CAE和计算机辅助物理样机测试CAT。它可贯穿于整个产品开发过程之中，从用户需求概念设计产品设计产品及零件详细设计工艺性分析产品性能验证生产维护的各个阶段，对产品进行有效的分析。这些工作共同的基础是有限元模型。,从前面CAE的发展历程可以看出CAE的发展趋势：(1) 应用领域：扩大到军事、航空、航天、机械、电子、化工、汽车、生物医学、建筑、能源、计算机设备等各个领域；(2) 使用对象：已经从以专家为主转向普通设计者和开发工程师；(3) 软件功能：从单一CAE功能转向CAD/CAE/CAM/CAT一体化，尤其是设计/分析一体化；(4) 使用时机：CAE技术将会贯穿产品开发的每一个环节；(5) 专
36、业融合：把分析(CAE)与试验(CAT)结合在一起使用，这是一种含义更为广泛的“广义CAE”技术，又称为产品评估；(6) 技术创新：变量化技术在CAD领域的成功应用将会扩展到分析领域，以实现变量化分析(variational analysis)。到那时，实时的、随意的多方案分析过程将使得CAE变得更加轻松自如、易学好用。,目前市场上流行的商品化CAE软件有NASTRAN、ANSYS、COSMOS、ADAMS、MARC、PATRAN、SAP、ASDA、DYNA3D等十余种，这些软件可大致从功能、集成性、运行平台及前后置处理的独立性几个方面来划分。(1) 从功能上划分当今的主流CAE软件从功能上来
37、区分，可分为通用型与专用型两大类。通用型CAE软件以覆盖的应用范围广而著称，NASTRAN、ANSYS、MARC等为其代表。专用型则以在某个领域中的应用深入而见长，如美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS/DYNA3D及ETA/FEMB。通用型CAE软件最大的优点是为用户提供了广泛的选择可能性和扩展应用范围的余地。使不同规模与应用层次的用户都能在其中找到自己所适用的模块。但随之而来的问题是系统庞大，耗费大量的资源；没有针对性，使用难度比较大。专用型CAE软件的最大优点是为用户提供了某些领域最专业的成果，系统小，耗费的资源少，使用与维护比较简单，但扩展时要不断购买所需软件，因而不同版本软件的数据
38、交换是否畅通成为用户最关心的问题。,(3) CAE软件产品,(2) 从集成性上划分从集成性上划分，可分为集成型与独立型两大类。集成型主要是指CAE软件与CAD/CAM软件集成在一起，成为一个综合型的集设计、分析、制造于一体的CAD/CAE/CAM系统。目前市场上流行的CAD/CAM软件大都有CAE功能，均可归入此类。如SDRC公司的I-DEAS，EDS公司的UGII，Intergraph公司的I/EMS，Matra DataVision公司的Euclid等等，将CAE软件集成进来并加以完善是CAD/CAM软件目前的发展趋势之一。与集成型相对应，独立型CAE软件是单独使用的，这一类以老牌CAE软
39、件如ANSYS、NASTRAN为代表。,集成型CAD/CAE/CAM软件的最大优点在于其集成性。在这样的环境中、用户可以直接在实体状态下进行网格划分和边界条件的处理，CAD实体模型的改变也将引起有限元模型的自动改变，省却了CAD与CAE软件之间各种传输与转换之苦，极大地提高了产品开发人员的工作效率。此外，这种集成软件的另一个特点是，其CAE部分大都来自目前工业界普遍认同的权威分析软件。如SDRC/I-DEAS集成的是MSC/NASTRAN，COSMOS/M Designer是AutoCAD和COSMOS/M(FEA)的集成。集成型CAD/CAE/CAM软件以CAD/CAM为主，所以其分析功能都
40、不强大，多局限于线性应力应变分析和简单的频率(振动)分析等常见问题，但都提供了与主流CAE软件的接口，以便设计人员完成更专业的分析工作。因此中小企业多乐于购买此类软件。面对软件集成化的发展趋势。独立型CAE软件自有它的发展策略。一方面他们在完善与主流CAD/CAM软件接口、完善原有模块功能上下功夫，另一方面、就扩展新的模块而言，也积极向集成化靠拢。例如，MSC/InCheck就是采用MSC/NASTRAN核心技术并实现了与MDT和AutoCAD无缝集成的新模块。,(3) 从运行平台划分从运行平台划分，CAE软件可分为工作站平台系统和微机平台系统。由于CAE软件对运行平台的容量、速度和处理能力等
41、要求很高，所以，目前绝大多数CAE软件都是基于工作站的。近年来，由于计算机技术的飞速发展，微机在容量、速度和处理能力上都有了质的飞跃，微机与工作站的界限也越来越模糊，这使得一向要求苛刻的CAE软件走向微机成为可能。另一方面，无论是硬件配置还是软件配置，微机的投资都仅为工作站的l/4l/10，而实施和掌握系统的时间也只有工作站的几分之一。在越来越看重性能价格比的今天，商家和用户都看好这一新的发展领域，已有MSC/InCheck和ANSYS/AutoFEA相继推出。可以预见，采用国际标准、支持多种主导硬件平台是CAE软件的发展趋势之一。 (4) 从前后置处理的独立性划分前置处理工作完成的是CAD图
42、形模型到有限元网格模型之间的转换，后置处理是将分析计算得到的有限元网格数据以图形/动画的方式显示出来。众多的CAE软件均自备了前、后置处理功能、但也有一些专用的前后置处理软件包，如FEMAP、SUPERTAB、FEMVIEW等。,3. 计算机辅助工艺规划CAPP,CAPP概念 CAPP的发展 CAPP软件产品,计算机辅助工艺规划(computer aided process planning，CAPP)是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。一般认为，CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。其中，工序设计又可包含装夹设备选择或
43、设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等。工艺规划是制造企业技术部门的主要工作之一，其质量之优劣及设计效率的高低，对生产组织、产品质量、生产率、产品成本、生产周期等有着极大的影响。长期以来，依靠工艺人员根据个人的经验以手工方式进行的工艺规划，由于其固有的缺陷(效率低、工艺方案因人而异、难以获得最佳的工艺方案等)，难以适应当今生产发展的需要。只有应用计算机辅助工艺规划，才能迅速编制出完整、详尽、优化的工艺方案和各种工艺文件，从而极大地提高工艺人员的工作效率，缩短工艺准备时间，加快新产品的投产。此外，应用CAPP可以获得符合企业实际条件的优化的工艺方案、给出合理的工时定额和材料消耗。,(1) CAPP概念,
