CAE的发展历程

CAE的发展历程
CAE的发展历程

CAE的发展历程
CAE的理论基础起源于20世纪40年代,自1943年数学家Courant第一次尝试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解t.Venant扭转问题以来,一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念,直到1960年以后,随着电子计算机的广泛应用和发展,有限元技术依靠数值计算方法,才迅速发展起来.
　　1960～1970年,有限元的理论处于发展阶段,分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题,又由于当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点,CAE软件处于探索时期.
　　1970～1980年代是CAE技术蓬勃发展的时期,一方面SDRC,MSC,ANSYS等在技术和应用继续创新外,新的CAE软件迅速成立.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、磁场、声波场)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,DYNAS3D,ABAQUS,NIKE3D与WECAN等.使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域.
　　上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期.CAD据说经过三十年的发展,经历了从线框CAD技术到曲面CAD技术,再到参数化技术,直到目前的变量化技术,为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础.
　　中国的CAE发展经历的过程可是几起几落,走了一条非常艰巨的道路!
　　已故我国著名计算数学家冯康先生在50年代就提出了有限元方法的基本思想,几乎是和国外同步. 60年代中期我国也出现了一些学习有限元方法的单位和学者,但是由于计算机硬件条件的限制,更由于文化大革命等政治社会环境的影响,在相当长一段时期,我国CAE技术的开发和应用完全停顿,和国外拉开了很大的差距； 20世纪70年代中期,大连理工大学研制出了DDJ,JIGFEX有限元分析软件和DDDU结构优化软件；北京农业大学李明瑞教授研发了FEM软件；80年代中期,北京大学袁明武教授通过对国外SAP软件的移植和重大改造,研制出了SAP-84；由于航空工业的需求,航空工业部从70年代初也开始陆续组织研制了HAJIF（I,II,III）,YIDOYU,COMPASS,并多次获国家级奖励等等.这些国内CAE软件与国外的同类产品相比,在核心算法和若干功能上有很多特色,反映了我国学者在计算力学研究中取得的成果,充分考虑了我国计算机硬件的实际条件,在国家基础设施建设和工程结构设计中都发挥了重要作用,有相当广泛的应用.
　　90年代以来,国家加大开放力度,大批国外软件涌入中国市场,加速了CAE技术在我国的推广,这无疑提高了我国装备制造业的设计水平.在此同时,我们自主开发的软件受到强烈挑战.特别是盗版的国外软件,对我国自主开发的CAE软件打击很大.有一段时间,几乎听不到自主开发CAE软件的声音,相关管理部门支持国产软件发展的力度大幅下降.支持基础研究的部门认为,CAE软件开发提不出基础科学问题,支持科技攻关和高新技术发展的部门认为,CAE软件开发要走市场化的道路,到市场上去找经费.自主开发CAE软件在人力、财力、物力上都遭遇很多困难.
　　CAE软件集中凝聚了技术科学的研究成果,自主开发CAE软件面临的处境和技术科学在我国的的处境相仿.最近的两院院士大会上,胡锦涛同志针对忽视技术科学的倾向,强调了“要高度重视技术科学的发展”,给我们以很大鼓舞.事实上,这些有我国自主知识产权的软件的功绩是不可磨灭的,这些软件不仅解决了一大批国家经济建设提出的问题,产生了直接和间接的经济效益,其研发和应用过程培养了一大批从事CAE研发和应用的人才；这些软件的存在也打破了西方国家对我们的壁垒,迫使国外产品大幅度地降低了价格,它们直接或间接地对国家GDP做出了不可低估的贡献.
　　国产CAE软件发展面临的困境是我们国家自主知识产权的大部分技术和产品面临的困境的缩影；在我国技术经济学的领域内,有的专家认为,改革开放以来国民经济增长的主要贡献来自开放,而不是自主知识产权的技术创新,后者对GDP的贡献非常小.这样一个说法也许有依据,因为在现实生活中我们可以看到,国内相当大批企业使用的成套技术、成套生产线上的设备和大型软件是从国外引进的,生产的工艺和很多产品的知识产权是外国公司的.因为面对西方发达国家研发多年的成套技术、设备、产品以及拓展市场的经验,我们自主创新的科技成果虽然在技术上优于对方,但往往还缺乏足够的经济上的优势来淘汰对方.这样一个说法应该引起我们广大科技工作者和管理部门的反思,如何加速我们具有自主知识产权的技术创新活动,如何将这些成果尽早转化为现实的生产力.但是,我们应该强调的是,以对GDP的直接贡献来衡量中国科技进步对国家经济建设和社会进步的贡献,是非常片面的；我们不能以对GDP的直接贡献不大为由,就不重视自主创新.正如江泽民同志指出的,创新是一个民族的灵魂.
　　值得庆幸的是,尽管面临诸多困难,目前国内仍然“幸存”下来一批致力于CAE技术的研究队伍.中国科学院数学与系统科学研究所梁国平研究员团队历经八年的潜心研究,独创了具有国际领先水平的有限元程序自动生成系统（FEPG）.FEPG采用元件化思想和有限元语言这一先进的软件设计,为各种领域、各方面问题的有限元求解提供了一个极其有力的工具,采用FEPG可以在数天甚至数小时内完成通常需要数月甚至数年才能完成的编程劳动.FEPG是目前“幸存”下来的为数不多的CAE技术中发展最好的有限元软件,目前有三百多家科研院、企业应用.业已成为国内做的最大的有限元软件平台.
　　FEPG 6.0版本发布倪光南院士极力主张自主创新. FEPG6.0的成功发布,标志着中国也有了自己的高性能计算软件平台,在高性能计算这一关键领域将占有一席之地!
　　尽管我们拥有自主版权的CAE软件,也在重要工程中得到成功应用,但是,当前进口CAE软件仍然占领了相当部分我国市场.有些大学教学的有限元课程主要内容就是介绍如何使用某些进口CAE软件,令人堪忧.作为一个十三亿人口的社会主义大国,不可能长期依赖于引进外国的技术和产品,我们必须加大力度开发自己的CAE软件,培植自己的CAE软件产业,只有这样才能改变仰仗他人的局面,避免有一天受制于人.
　　虽然发达国家功能强大的CAE软件几乎占领了中国市场的局面,但是我们现在能够得到的CAE软件产品均为商用版本,并不是最先进、最尖端的技术,很多敏感模块、功能是对中国禁运的；其二,针对特殊问题,CAE软件的定制与二次开发是必不可少的,而没有源代码的二次开发,注定是低效率的、表面的、受牵制的,只有掌握源代码才能掌握主动权；其三,CAE软件是一个高技术知识产权体系,没有一个基础平台就不能有效地建立自主创新知识体系；其四,国家安全、国防建设需要CAE技术的支持.
　　FEPG的发展离不开国内科研院所、高校、企业的支持,在国外大型CAE软件占据国内相当部分市场的情况下能够生存并持续发展主要还是依托国际领先的自动生成系统技术.梁国平教授开发的FEPG以其先进的自动生成技术在为国内具有自主知识产权的CAE软件事业做着不可磨灭的贡献.