水工结构自主CAE软件开发的思考与实践-发送版本（好）.pdfVIP

水工结构自主 CAE 软件开发的思考与实践 吴梦喜 何蕃民 杜斌 （北京中国科学院力学所，北京 100190） 摘 要： CAE 技术对于现代产业发展十分重要。国内外都还没有一款功能较强的通用的水工结构 CAE 软件，国内水工结构 CAE 分析在实际应用方面还存在着诸多不足，着重探讨了开发水工结构 CAE 软件 的必要性，并给出具体开发设想。介绍了本单位水工结构 CAE 软件的开发与应用情况，呼吁行业协会、 规划设计院、科研单位与高校协作，共同培育与推动我国水工结构 CAE 软件的开发与应用。 关键词：水工结构，CAE 软件，有限元，仿真 1 前言 随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和数字化设计等技术不断成熟，人们越来越多地采用计算机 作为产品研发和工程研究的辅助工具，从而产生了一系列与计算机辅助有关的技术，如计算机辅助设计 (CAD: Computer Aided Design)、计算机辅助工程(CAE: Computer Aided Engineering)、计算机辅助制造 (CAM: Computer Aided Manufacturing) 以及产品数据管理(PDM: Product Data Management)等。 CAD是指以计算机为主要手段来辅助设计者完成某项设计工作的建立、修改、分析和优化、信息输 出等全部任务的综合性高新技术，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等[1] 。CAE通常指有限 元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性、非线性、静态、动态) 、场分 析( 热场、电场、磁场等) 、频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加 速度和力的计算，构的运动模拟及机构参数的优化。CAM 是完成自动生成零件加工的数控代码，并可 进行加工过程的动态模拟、干涉和碰撞检查等,是为数控机床服务的。PDM包括大家所熟悉的工程数据管 理(Engineering Data Management: EDM) 、文档管理(Document Management) 、产品信息管理(Product Information Management: PIM) 、技术数据管理(Technical Data Management: TDM) 、技术信息管理 (Technical Information Management: TIM)、图像管理(Image Management)等，概括来说就是用于管理产品 [2] 定义信息的所有系统 。 对于新产品的设计及加工，一般先由设计人员借助CAD建立起产品的雏形，随后进入CAE仿真分析 阶段，从而发现新产品设计中的不足。因此，通过CAD/CAE技术，可以实现“不必真的把设备制造出来， 就可以在计算机进行模拟时发现不足、及时修正”，即在生产前借助计算机对设计方案进行模拟，得到 精确的试验、分析和论证，从而达到优化设计[3] 。当通过CAE仿真分析确认设计无误时，可以由CAM根 据CAD 中的模型生产具体的实物样品。在整个设计生产过程中，PDM肩负着CAD/CAE/CAM 中产品的数 据管理，包括产品各个零件的组织关系及明细（如材料、重量、件数等）。 计算机硬件快速升级使桌面电脑的高性能计算得以实现，同时计算网络技术的飞速发展促成了制造 业企业的信息化，可以料想在不远的将来用户不再需要单一的CAD/CAE/CAM/PDM系统，而是由它们组 成的具有专业特色的集成化仿真系统。CAE软件是用计算机对工程结构与产品的性能及其生产加工过 程，进行分析、模拟、预测、评价、优化和控制的一类应用软件，是工业装备和产品创新设计的核心技 术[4] 。在产品的设计中，工程师们可以借助CAE软件能够实现“在实现创新的同时，提高设计质量，降 [5] 低研究开发成本，缩短研究开发周期” 。 正是由于CAE技术在现代生产中扮演着至关重要的角色，因此，国内外都对发展此项技术寄予高度 的重视。从 20 世纪 60 年代初开始在NASA 的宇航计划中就要求利用计算机进行仿真分析，之后更是若 干次将“计