CAE发展历史

CAE中大工作组
2020-10-08

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  国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。


  1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功,掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。


  衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进中国,在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。中国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节,严重地制约了CAE技术的发展。仅以有限元计算分析软件为例,世界年市场份额达5亿美元,并且以每年15%的速度递增。相比之下,中国自己的CAE软件工业还非常弱小,仅占有很少量的市场份额。


  20世纪60-70年代,有限元技术主要针对结构分析进行发展,以解决航空航天技术中的结构强度、刚度以及模态实验和分析问题。世界上CAE的三大公司先后成立,致力于大型商用CAE软件的研究与开发。


  1963年MSC公司成立,开发称之为SADSAM (Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods)结构分析软件。1965年MSC参与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算结构分析方法研究,其程序SADSAM更名为MSC/ Nastran。


  1967年Structral Dynamics Research Corporation(SDRC)公司成立,并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包,1971年推出商用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS)。


  1970年Swanson Analysis System,Inc.(SASI)公司成立,后来重组后改为称ANSYS公司,开发了ANSYS软件。


  20世纪70-80年代是CAE技术的蓬勃发展时期,这期间许多CAE软件公司相继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的MARC公司;致力于机械系统仿真软件开发的MDI公司;针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的CSAR公司;致力于结构、流体及流固耦合分析的ADIND公司等等。


  在这个时期,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、电磁场、声波场等)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、ADIND、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配,使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。从软件结构和技术来说,这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法,采用FORTRAN语言开发的结构化软件,其数据管理技术尚存在一定的缺陷,运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。


  进入20世纪90年代以来,CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展,对软件的功能、性能,特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充,对软件的内部结构和部分模块,特别是数据管理和图形处理部分,进行了重大改造,使得CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要,它们可以在超级并行机、分布式微机群、大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。
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