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淺談先進(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(jī)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(jī)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(shè)計，對未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬仿真，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺隕，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案，證實(shí)未來工程/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(jī)輔助工程(CAE)軟件是迅速發(fā)展中的計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)相結(jié)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(xiàn)工程/產(chǎn)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(jìn)行研究重要手段。
一、CAE的發(fā)展
CAE的理論基礎(chǔ)起源于20世紀(jì)40年代，1943年數(shù)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，隨著電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，有限元技術(shù)依靠數(shù)值計算方法，才迅速發(fā)展起來。
隨著計算機(jī)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(jié)構(gòu)分析和場分析領(lǐng)域獲得了很大的成功，出現(xiàn)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(lǐng)域中被使用。上世紀(jì)90年代是CAE技術(shù)的成熟壯大時期。大量的CAE軟件的涌現(xiàn)，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(shè)計質(zhì)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(shí)現(xiàn)工程/產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。主要體現(xiàn)在：
(一)CAE功能不斷擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)多結(jié)構(gòu)耦合析，實(shí)現(xiàn)多物理場耦合分析，多尺度耦合分析，以及結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及其材料的一體化設(shè)計計算與模擬仿真。
(二)基于Internet/Intranet的CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)/CAE(計算機(jī)輔助工程)/CAM(計算機(jī)輔助制造)/CAPP(計算機(jī)輔助工藝設(shè)計)/PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)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)信息的自動傳遞和轉(zhuǎn)換。集成化的CAD/CAM系統(tǒng)借助于公共的工程數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、以及標(biāo)準(zhǔn)格式的中性文件接口，把分散于機(jī)型各異的計算機(jī)中的CAD/CAM模塊高效地集成起來，實(shí)現(xiàn)軟、硬件資源共享，保證系統(tǒng)內(nèi)信息的流動暢通無阻。
二、CAE應(yīng)用中存在的問題
目前，在CAE應(yīng)用中存在以下亟待解決的問題：
(一)標(biāo)準(zhǔn)化
俗話說，國有國法，行有行規(guī)。在這個工業(yè)時代，標(biāo)準(zhǔn)化就是工業(yè)生產(chǎn)的行規(guī)。而隨著CAE技術(shù)在我國各行各業(yè)普及和應(yīng)用的發(fā)展，確保CAE技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(shù)企業(yè)在應(yīng)用CAE技術(shù)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(zhǔn)入門檻。
2、缺乏對CAE技術(shù)人才的培訓(xùn)和從業(yè)資格的認(rèn)證。各行各業(yè)都有自己的資格認(rèn)證考試，以此來規(guī)范和引導(dǎo)從業(yè)人員掌握相關(guān)技術(shù)及規(guī)范知識。建筑行業(yè)有建造師、監(jiān)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)科卻沒有相關(guān)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(shù)正確合理應(yīng)用的技術(shù)指導(dǎo)�？傊S著CAE技術(shù)的普及與發(fā)展，制定CAE行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也迫在眉睫。不可否認(rèn)，由于CAE技術(shù)應(yīng)用的多樣化與復(fù)雜化，要制定適用于所有行業(yè)的CAE技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)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(jù)不同的行業(yè)特點(diǎn)，制定具體行業(yè)的CAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如重機(jī)制造行業(yè)、汽車行業(yè)、建筑行業(yè)等等，這樣操作起來應(yīng)該比較容易，也會比較有針對性。
(二)與CAD協(xié)同，消除數(shù)據(jù)交換障礙
長久以來CAD軟件、CAE軟件都是單兵作戰(zhàn)，數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)任意模型裝配和CAE分析，整合相同或不同CAD軟件模型數(shù)據(jù)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(shè)計參數(shù)，并通過連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)與CAD軟件之間的共享，其優(yōu)點(diǎn)是任何CAD和CAE人員對設(shè)計的改變都能立即反映到對方軟件環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計-仿真的同步協(xié)調(diào)。只有真正消除了數(shù)據(jù)間的交換障礙，才能真正發(fā)揮出CAE軟件的強(qiáng)大功能。
(三)網(wǎng)絡(luò)化
計算機(jī)支持的協(xié)同工作的出現(xiàn)，為異地協(xié)同設(shè)計提供了環(huán)境支持，傳統(tǒng)的CAD/CAE/CAM技術(shù)也在向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。隨著產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜化及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的日趨成熟，傳統(tǒng)的順序設(shè)計方式顯然已經(jīng)過時，很難適應(yīng)市場快速產(chǎn)品更新的競爭需求，企業(yè)各部門之間交互合作及數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部甚至企業(yè)之間的數(shù)字化設(shè)計交互虛擬平臺已不再只是概念化的問題，如何高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步及信息交互對提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
(四)開放性
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(tǒng)意義上的CAD技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)和CAE技術(shù)的無縫對接。同時，根據(jù)虛擬仿真的對象、計算方法、物理場、應(yīng)用行業(yè)等不同維度，CAE技術(shù)可以細(xì)分出很多單元技術(shù)。許多單元技術(shù)應(yīng)用于特定行業(yè)、特定問題的CAE產(chǎn)品，各個領(lǐng)域的虛擬仿真結(jié)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)品無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(shù)據(jù)和系統(tǒng)兼容性
對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬仿真涉及到十分復(fù)雜的流程，而應(yīng)用單元的CAE產(chǎn)品，需要手工管理仿真流程，導(dǎo)致虛擬仿真的效率不高。同時，數(shù)據(jù)的接收和系統(tǒng)的兼容成為了CAE技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)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(jù)各個學(xué)科仿真的需求動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格模型，提供統(tǒng)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(shù)據(jù)管理機(jī)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(shù)據(jù)。例如：同樣的產(chǎn)品模型，應(yīng)用同樣的CAE軟件，但不同的分析工程師，由于知識和經(jīng)驗(yàn)的差異，給出不同的參數(shù)，就會產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)，從而分析出來的結(jié)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(chǎn)品模型的對應(yīng)關(guān)系，如何建立虛擬仿真規(guī)范和知識庫，實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真知識的捕捉和重用，是CAE技術(shù)深化應(yīng)用必須解決的問題。
三、現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)
現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)的內(nèi)涵是借助計算機(jī)，把企業(yè)中與制造有關(guān)的各種技術(shù)系統(tǒng)地集成起來，進(jìn)而提高企業(yè)適應(yīng)市場競爭的能力。這個概念強(qiáng)調(diào)了兩個方面：
(一)企業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)是不可分割的，需要統(tǒng)一安排組織
(二)產(chǎn)品制造過程實(shí)質(zhì)上是信息采集、傳遞、加工處理的過程
CIMS是一種先進(jìn)的制造思想，但是由于當(dāng)時技術(shù)水平的限制，直到80年代初，這個思想才被制造領(lǐng)域重視并采用。近十余年來，在市場競爭的激勵與相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的推動下，CIMS在實(shí)踐中被不斷充實(shí)、完善與發(fā)展。從這個概念出發(fā)，經(jīng)歷了信息集成、過程集成和企業(yè)集成的研究和實(shí)踐，我們提出了現(xiàn)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(nèi)部實(shí)現(xiàn)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(xiàn)在實(shí)施信息集成的手段還比較落后。這使得企業(yè)CIMS應(yīng)用工程開發(fā)周期長，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(nèi)容，也是實(shí)施諸如并行工程技術(shù)的基礎(chǔ)。在我國以信息集成為主要內(nèi)容的CIMS應(yīng)用工程，將仍是今后大多數(shù)企業(yè)信息化過程中必然要經(jīng)歷的。
(二)過程集成
傳統(tǒng)串行作業(yè)的設(shè)計、開發(fā)過程，往往會造成產(chǎn)品開發(fā)過程中出現(xiàn)反復(fù)，使產(chǎn)品開發(fā)周期長、成本增加。如果把產(chǎn)品設(shè)計中的各個串行過程盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿泄こ�，在設(shè)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(fù)，縮短開發(fā)時間。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(yīng)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(chǎn)品，建立企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟(即所謂的虛擬企業(yè))。企業(yè)這種不斷結(jié)盟的能力正是企業(yè)敏捷性的標(biāo)志之一。
隨著國際經(jīng)濟(jì)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。未來的工廠，將是CIMS的天下。
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