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发表于 2010-10-25 09:10:28
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来自： 中国江苏苏州
2.3 FEA技术的成熟壮大期. q# `, }1 t a3 D/ a9 ]6 U! {7 {' {
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上世纪90年代至今是CAE技术的成熟壮大时期，这一时期的CAE领域呈现出了大鱼吃小鱼的市场局面，大的软件公司为了提升自己的分析技术、拓宽自己的应用范围寻找机会收购、并购小的、专业的软件商，因此CAE软件本身的功能得到了极大的提升。
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0 P9 p: z, {7 B MSC公司作为最早成立的CAE公司，先后通过开发、并购，已经把数个CAE程序集成到其分析体系中。目前MSC公司旗下拥有10几个产品，如Nastran、patran、Marc、Adams、Dytran和Easy 5等，覆盖了线性分析、非线性分析、显式非线性分析以及流体动力学问题和流场耦合问题。另外，MSC公司还推出了多学科方案（MD）来把以上的诸多产品集成为了一个单一的框架解决多学科仿真问题。9 ~9 y1 H+ m" _9 b
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ANSYS公司通过一连串的并购与自身壮大后，把其产品扩展为ANSYS Mechanical系列， ANSYS CFD（FLUENT/CFX）系列，ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS Workbench和EKM等。由此ANSYS塑造了一个体系规模庞大、产品线极为丰富的仿真平台，在结构分析、电磁场分析、流体动力学分析、多物理场、协同技术等方面都提供完善的解决方案。& Q) G1 A6 B, ?0 y% C5 N
. V' ~' c k: R- ?! D) l9 z- v# ? SDRC把其有限元程序Supertab并入到I-DEAS中，并加入耐用性、NVH、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等技术，且将有限元技术与实验技术有机地结合起来，开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。而在2001年SDRC公司被EDS所收购，并将其与UGS合并重组，SDRC的有限元分析程序也演变成了NX中的I-deas NX Simulation，与NX Nastran一起成为了NX产品生命周期中的仿真分析中的重要组成部分。" W8 p: A& @0 N+ b4 }
G! [8 Y& p8 N( w6 @ 说到NX Nastran，大家都会想到另一个以Nastran为名的有限元软件MSC.Nastran。MSC.Nastran与NX Nastran可谓是同根同源，皆是由NASA推出的Nastran程序的源代码发展出来的。下面我们可以简单的介绍下MSC.Nastran与NX Nastran的由来。
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在当时开发Nastran程序的不止MSC一家公司，还有另外两家公司也推出了Nastran程序的商业版，1972年 UAI公司发布基于COSMIC NASTRAN的UAI Nastran软件，1985年CSAR公司发布了基于COSMIC NASTRAN的CSAR Nastran软件。当时是市场上有这3家公司共同经营Nastran软件。* ^8 N& p. @! S9 F: j! }
8 P0 R& w- g( s% H 而在1999年，MSC收购了UAI和CSAR，成为市场上惟一一家提供Nastran商业代码的供应商。而在此后的几年，独自享有源代码的MSC Nastran软件价格不断上涨，但是其功能和服务却没有得到相应的提升，从而引发大量客户的抱怨，为此NASA则向美国联邦贸易委员会(FTC)提出了申诉。+ ~6 i W' T3 m, \5 R
7 B5 @: c7 z5 x- E 美国FTC判“MSC Nastran垄断”，MSC Nastran源代码须公开，而这一决定也引来了UGS公司加入到Nastran的市场中来。而后，UGS根据MSC所提供的源代码、测试案例、开发工具和其他技术资源开发出了NX Nastran。至此，源于NASA的Nastran一分为二，齐头并进，为用户带来了更多的新技术与服务。4 Z* `4 V* T2 X: ^8 m3 w/ V7 u
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进入21世纪后，早期的三大软件商MSC、ANSYS、SDRC的命运各不相同，SDRC被EDS收购后与UGS进行了重组，其产品I-DEAS已经逐渐的淡出了人们的视线；MSC自从Nastran被反垄断拆分后一蹶不振，2009年7月被风投公司STG收购，前途至今还不明朗；而ANSYS则是最早出现的三大巨头中最为强劲的一支，收购了Fluent、CFX、Ansoft等众多知名厂商后，逐渐的塑造了一个体系规模庞大、产品线极为丰富的仿真平台。3 I0 T7 {$ v+ i( X9 l# ]( ]% |
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而在CAE市场的其他厂商也发生了不少的并购和重组，一些新近的厂商也逐渐在崭露头角。如并入达索SIMULIA的ABAQUS，能否如SolidWorks一样借助达索的强劲在CAE市场中打出一片天地；以前后处理而进入CAE领域的Altair公司，其Hypermesh软件自诞生之日起就备受业界的关注，而围绕前后处理建立起来的HyperWorks软件，也已经成为了现在市场上很有竞争力的软件，近几年来收入也持续上涨；LMS也是一个比较有特点的CAE软件公司，其软件的分析集1D、3D、“试验”于一身，不仅可以加速虚拟仿真，还能使仿真结果更准确可靠；COMSOL则是以多物理场耦合仿真开辟出了一片新天地，为其发展、更为CAE技术的发展拨开迷雾。8 t" F& ]- S3 r8 T* D4 v
! V/ n# L9 @5 Q6 {7 R 另外，在市场中占有一定份额的还有如前后处理软件ANSA、Truegrid，流体仿真软件Fluent（被ANSYS收购）、CFX（被ANSYS收购）、Phoenics、NUMECA、Star-CD，铸造仿真软件ProCAST、FLOW-3D、MAGMA SOFT等一批专业CAE分析软件。
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3 a5 ?" I% |) e/ Y- z" k* H4 h4 A 3.国内有限元法的发展之路0 { D7 v t" V0 f7 W: l) m5 g; j- d# m
( l) x6 R9 y, S1 u% }+ y6 _5 u 我国的力学工作者为有限元方法的初期发展做出了许多贡献，其中比较著名的有：陈伯屏（结构矩阵方法），钱令希（余能原理），钱伟长（广义变分原理），胡海昌（广义变分原理），冯康（有限单元法理论）。遗憾的是由于当时环境所致，我国有限元方法的研究工作受到阻碍，有限元理论的发展也逐渐与国外拉开了距离。
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' B5 d' x6 X* @, Q 20世纪60年代初期，我国的老一辈计算科学家较早地将计算机应用于土木、建筑和机械工程领域。当时黄玉珊教授就提出了“小展弦比机翼薄壁结构的直接设计法”和“力法－应力设计法”；而在70年代初期，钱令希教授提出了“结构力学中的最优化设计理论与方法的近代发展”。这些理论和方法都为国内的有限元技术指明了方向。
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; ?+ W. ^" I. r 1964年初崔俊芝院士研制出国内第一个平面问题通用有限元程序，解决了刘家峡大坝的复杂应力分析问题。20世纪60年代到70年代，国内的有限元方法及有限元软件诞生之后，曾计算过数十个大型工程，应用于水利、电力、机械、航空、建筑等多个领域。! p! q X! q% \ | A! U
: x( c9 G3 z, l, m" r* U4 P 20世纪70年代中期，大连理工大学研制出了JEFIX有限元软件，航空工业部研制了HAJIF系列程序。80年代中期，北京大学的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；北京农业大学的李明瑞教授研发了FEM软件；建筑科学研究院在国家“六五”攻关项目支持下，研制完成了“BDP-建筑工程设计软件包”；中国科学院开发了FEPS、SEFEM；航空工业总公司飞机结构多约束优化设计系统YIDOYU等一批自主程序。. @0 n0 d! p ^5 u. z. V
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上世纪90年代以来，大批国外CAE软件涌入国内市场，遍及国内的各个领域，国外的专家则深入到大学、院所、企业与工厂，展示他们的CAE技术、系统功能及使用技巧，因此使得国内自主研发CAE软件受到强烈打压。同时，有关管理部门在对直接为先进装备制造业服务的CAE软件核心技术的认识上产生了偏差：CAE既不属于基础科学，又不属于科技攻关，故而失去了必要的支持，使其发展举步维艰，以至于在上世纪的最后十几年国内CAE自主创新的步伐已经非常缓慢，也逐渐的拉开了与国外CAE软件的距离。 - I7 y8 X# T" l" K
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图6 紫瑞CAE软件分析界面
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图7 FEPG软件分析界面0 v5 K3 `/ L# R8 V# o( v
' E5 ~6 T% @+ V& G, p 进入21世纪后，虽然国外CAE软件占据市场主流的现状短时间内已经无法撼动，但国内自主知识产权CAE软件逐渐市场化，获得了一定的发展：北京飞箭软件有限公司推出的FEPG、郑州机械研究所推出的紫瑞CAE、大连的大工安道公司的CAE软件Adopt.Smart；湖南大学与吉林大学开发了针对汽车结构的KMAS分析系统；华中科技大学针对铸造成型开发的华铸CAE软件；清华大学、上海交大在注塑成型CAE领域也推出了相应的分析软件。 x& M% ]' S1 O
! O1 c; I* ^: C. `# r- H" S: ^' d- v 虽然国内CAE自主研发之路历经艰辛，但是广大专家学者用锲而不舍的战斗精神顽强地生存下来。尤其是在近几年，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大企业所认可。随着国家对发展自主CAE平台已经愈发重视，国内CAE的研究已经逐渐走出低迷状态，获得了一定的发展，而且值得注意的是，有限元技术不再仅仅停留在高校中，而是更多的走向了企业。同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。
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4.多种技术、同一目的
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发展到今天，CAE软件不仅仅只有有限元法一种基本算法，目前已经发展出了包括有限差分法、有限元法、有限体积法等多种数学算法。而究其本质都是采用微积分的方法对离散方程进行求解，从而得出所求的结果。三种方法的比较如表2所示。
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% ^/ N# d( ^; \4 H% l @3 [ 多种求解方法使CAE技术得到的长足的发展，而目前有限元法覆盖的领域已经非常广泛，并已大量的应用于结构力学，结构动力学，热力学，流体力学等仿真分析，并且向着多物理场耦合分析的方向发展着，进而逐步的推动着CAE技术的发展。+ J" U- C0 r( m7 R
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5.结语
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CAE技术诞生至今已半个多世纪，随着计算机技术与软件技术的不断发展壮大，CAE的技术手段与应用范围已经不可同日而语，随之而来也诞生了数以百计的CAE软件商。如今的CAE市场是一个群雄割据的年代，据不完全统计全球有超过200种仿真分析的软件在被企业所使用着，昔日的巨头命运也各不相同，更有着无数的新贵崛起进入人们的视野。: y$ p/ \9 x! u( r# q, D; B
# V5 u' O2 X# E' I 种类繁多的CAE软件为人类探索未知提供了工具，而CAE软件已经逐渐的被更多的工程人员所接受，在CAE软件中进行着产品的仿真、分析与优化，同时工程和产品的自主创新也为CAE发展提供了强大的动力，相信CAE技术将会随着工程科学技术的飞速发展而迎来一个更为辉煌灿烂的明天。 |
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