一体化的CAD/CAE系统发展趋势

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    1.前言

    
    设计分析一体化是目前所有CAD公司追求的一个主要目标，其核心意图就是为了实现在设计过程中，充分考虑产品的性能和优化，提升产品质量和改善产品性能。
   
    2.几个重要概念及其误区
   
    a)什么是CAD？
   
    CAD，即计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD），其概念和内涵正在不断地发展中。1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
   
    b)什么是CAE？
   
    CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。
   
    c)什么是设计（Design）
   
    最简单的关于设计的定义、就是一种“有目地的创作行为”。
   
    根据工业设计师 Victor Papanek 的定义，设计（design）是为构建有意义的秩序而付出的有意识的直觉上的努力。更详细的定义如下：
   
    第一步：理解用户的期望、需要、动机，并理解业务、技术和行业上的需求和限制；
   
    第二步：将这些所知道的东西转化为对产品的规划（或者产品本身），使得产品的形式、内容和行为变得有用、能用，令人向往，并且在经济和技术上可行。（这是设计的意义和基本要求所在）
   
    这个定义可以适用于设计的所有领域，尽管不同领域的关注点从形式、内容到行为上均有所不同。
   
    1978年诺贝尔经济学奖 Herbert Simon 发表著名文章对设计给出著名定义“设计就是找到一种行动方式 ，目的是把现状变成自己更喜欢的样子 ”
   
    d)几个误区：
   
    i.误区1 计算机辅助制图是CAD
   
    计算机辅助制图（Computer Aided Drafting），简写为CAD，譬如我们熟知的AutoCAD辅助制图软件，几乎成了CAD的代名词。目前我国绝大数机械工程师都是二维或三维软件的使用者，他们最终都需要生成二维工程图纸。三维制图和二维制图最大的区别是直观性大为增强，但是本质上没有改变制图的地位。因此计算机辅助制图不是计算机辅助设计。
   
    ii.误区2 现代设计就是CAD
   
    从前面关于设计的定义，设计包含了人、知识、工具、环境等多方面的结合，因此CAD仅仅只是工具，利用适合设计者的工具可以帮助设计者更快、更好的进行设计。
   
    iii.CAE是有限元分析（FEA）
   
    CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程，涉及到多学科的问题，针对不同的学科，产生了各种仿真分析的数学工具。如FEA（有限元分析），多体动力学，CFD（计算流体力学），有限差分法，边界元法，无网格法，加权余量法等等。他们针对不同的领域，各具优势。如FEA适合解决结构的强度、刚度、疲劳等问题；多体动力学适合解决多刚体系统的运动学和动力学特性；CFD适合解决流体的流动和热问题；因此FEA仅仅是CAE的一个领域。
   
    iv.误区3 CAE独立于CAD
   
    从前面关于CAD的定义“ CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。”CAD中必须含有分析（CAE），也就是说面对设计，CAE是CAD的子集，缺少了CAE的CAD系统是不完整的计算机辅助设计系统。
   
    下图彻底揭示了计算机辅助制图、CAE和计算机辅助设计的真正内涵。
   
    现在几乎所有的CAD厂家都认识到CAE的重要性，都先后在CAD环境中加入了CAE，虽然功能有弱有强，但是都充分体现了设计分析一体化是CAD/CAE系统的发展方向。下面将具体论述设计分析一体化的CAD/CAE系统的将成为发展的必然。
   

    3.以设计为导向
   
    在制造型企业中CAE的目的优化和改进产品设计，因此分析应该无缝融入到设计过程中。因此，单一无缝的CAD/CAE界面是使用的基础。另外，仿真分析如何无缝的融入设计过程，减少设计人员使用CAE系统的难度也是目前发展的方向。仿真向导等技术精彩的体现了“以设计为导向”的先进思路。
   
    下面以SolidWorks的Simulation产品简单介绍，从SolidWorks2009开始，其著名的FEA软件COSMOSWorks改名为SolidWorks Simulation。其为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中。
   
    SolidWorks Simulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问（图2）、性能顾问（图 3）、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问
   

    图2算例顾问 图3性能顾问