CAD/CAE/CAM技术的现状与发展趋势

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欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 本文讨论CAD/CAE/CAM技术的主要范畴，如基本概念、发展历程和目前的发展水平，更会分别分析CAD、CAE和CAM技术的发展趋势。 CAD/CAE/CAM 技术以计算机及周边设备和系统软件为基础，它包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容。是一种设计人员借助于计算审进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算审的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力有审地结合起来。CAD/CAE/CAM技术随着Internet/Intranet网络和并行高性能计算及事务处理的普及，使奢地、协同、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAE/CAM中得到了广泛应用。 CAD/CAE/CAM技术概况 CAD技术的发展历程及现状 50-60年代初CAD技术处於准备和酝酿时期，被动式的图形处理是这阶段CAD技术的特征。60年代CAD技术得到蓬勃发展并进入应用时期，这阶段提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的进一步发展和应用打下了理论基础。70年代CAD技术进入广泛使用时期，1970年美国Applicon公司首先推出了面向企业的CAD商品化系统。80年代CAD技术进入迅猛发展时期，这阶段的技术特征是CAD技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用於产品设计发展到用於工程设计和工艺设计。90年代以后CAD技术进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，这阶段的CAD技术都具有良好的开放性，图形接口、功能日趋标准化。微机加视窗操作系统与工作站加Unix操作系统在因特网的环境下构成CAD系统的主流工作平台，同时网络技术的发展使得CAD/CAE/CAM集成化体系摆脱空间的约束，能够更好地适应现代企业的生产布局及生产管理的要求。在CAD系统中，正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等高新技术得到综合应用，大大提高了CAD自动化设计的程度，智能CAD应运而生。智能CAD把工程数据库及管理系统、知识库及专家系统、拟人化用户介面管理系统集於一体。 CAD体系结构大体可分为基础层、支撑层和应用层三个层次。基础层由计算机及外围设备和系统软件组成。随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的主要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求，有各自的CAD专用软件来支援相应的CAD工作。 CAE技术的发展历程及现状 CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 CAE技术的研究始於20世纪50年代中期， CAE软件出现於70年代初期，80年代中期CAE软件在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟。国际上知名的CAE软件有NASTRAN、ANSYS、ASKA、MARC、MODULEF、DYN-3D等。但其数据管理技术尚存在一定缺陷；运行环境仅限於当时的大型计算机和高档工作站。近十多年是CAE软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为航空、航天、机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续过程各类问题的一种重要手段。其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户介面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。前后处理是CAE软件实现与CAD、CAM等软件无缝集成的关键性软件成份；它们通过增设与相关软件（如Pro/E、CADDS、UG、Solidedge以及Solidworks、MDT 等软件）的接口数据模块，实现有效的集成；通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块，实现特定行业的有效应用。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定於单元库和材料库的丰富和完善程度，知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学行为，具有较强的分析模拟能力。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定於解法库；特别是在并行计算机环境下运行，先进高效的求解演算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。CAE软件现已可以在超级并行机，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。目前国际上先进的CAE软件，已经可以对工程和产品进行如下的性能分析、预报及运行行为模拟∶ 静力和拟静力的线性与非线性分析 包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析； 线性与非线性动力分析 包括交变荷载、爆炸冲击荷载、随机地震荷载以及各种运动荷载作用下的动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析等； 声场与波的传播计算 包括静态和动态声场及噪音计算，固体、流体和空气中波的传播分析，以及稳态与瞬态热分析（传导、对流和幅射状态下的热分析，相变分析等），静态和交变态的电磁场和电流分析（电磁场分析、电流分析、压电行为分析等），流体计算（常规的管内和外场的层流、端流等）等。 CAM技术的发展历程及现状 CAM中的核心技术是数控技术，编制零件加工程序是数控技术应用的重要环节，靠手工编程无法满足复杂零件数控加工的需求，50年代初期，美国开始了数控自动编程技术-APT语言的研究，形成了早期的CAM系统；如20世纪60年代开发的编程机及部分编程软件∶FANUC、Siemens编程机。目前，CAM技术已经成为CAX（CAD、CAE、CAM等）体系的重要组成部分，可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体＋曲面）上进行加工编程，生成正确的加工轨迹。典型的CAM系统有UG、Pro/E、Cimatron 、MasterCAM等。其特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。CAM系统仅以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式，已经成为智能化、自动化水平进一步发展的制约因素。只有采用面向模型、面向工艺特征的CAM系统，才能够突破CAM自动化、智能化的现有水平。 CAD/CAE/CAM技术的发展趋势 CAD技术的发展趋势 CAD技术的发展趋势主要体现在以下几方面∶ 标准化 CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。 开放性 CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统视窗95/98/2000/NT和UNIX平台上，为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己的CAD系统。 集成化 CAD技术的集成化将体现在三个层次上∶其一是广义CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式，成为企业一体化解决方案。新产品设计能力与现代企业管理能力的集成，将成为企业信息化的重点；其二是将CAD技术采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的使用效率；其三是CAD基於计算机网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。例如，在美国通用汽车公司的生产过程，大量的零部件生产、装配都通过“虚拟工厂”、“动态企业联盟”的方式完成，本企业只负责产品总体设计和生产少数零部件，并最终完成产品的装配。 智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。 虚拟现实(VR)与CAD集成 VR技术在CAD中的应用面很广，首先可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性。例如用这种模拟技术进行设计分析，可以清楚地看到物体的变形过程和应力分布情况。其次它还可以在设计阶段模拟产品装配过程，检查所用零部件是否合适和正确。在概念设计阶段，它可用於方案优化。特别是利用VR的交互能力，支援概念设计中的人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，这对摩托车、汽车、飞机等的设计作用尤其显著，在协同设计中，利用VR技术，设计群体可直接对所设计的产品进行交互。更加逼真地感知到正在和自己交互的?体成员的存在和相互间的活动。尽管VR技术在CAD中的应用前景诱人，不过离广泛推广应用还有一定距离。 CAE技术发展趋势 CAE技术的发展趋势将体现在以下几方面∶ 真三维图形处理与虚拟现实 随着专用於图形和多媒体信息处理的高性能DSP芯片的发展，PC机的图形处理能力近两年会有成百倍的提高，再加上三维图形算法、图形运算和参数化建模算法的发展，快速真三维的虚拟现实技术将会成熟。因此CAE软件的前后处理系统将会在复杂的三维实体建模及相关的静态和动态图形处理技术方面有新的发展，例如复杂的三维实体建模及相应的自适应有限元剖分，复杂的动态物理场的虚拟现实与即时提示等。 面向对象的工程数据库及其管理系统 高性能价格比的大容量存贮器及其高速存取技术在迅速发展，PC机的硬盘容量很快将由GB量级达到TB量级，用户将要求把更多的计算模型、设计方案、标准规范和知识性信息纳入CAE软件的数据库中，这必将推动CAE软件数据库及其数据管理技术的发展，高性能的面向对象的工程数据库及管理系统将会出现在新一代的CAE软件中。 多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析 目前的CAE软件，都仅限於宏观物理、力学模型的工程和产品分析，虽然有少数软件涉足了微机电系统分析，但其物理力学模型尚存在一定问题。值得指出的是∶对于多物理场的强耦合问题、多相多态介质耦合问题，特别是多尺度模型的耦合问题，目前尚处於基础性前沿研究阶段。但是，它们已成为国内外科学家的重点研究课题，由於其强烈的工业背景，基础研究的任何突破，都会被迅速纳入CAE软件，不久的将来，将形成从材料性能的预测、仿真，到构件与整个产品性能的预测、仿真，集计算机辅助材料设计制备，到工程或产品的设计、仿真与优化於一体的新一代CAE系统。 适应于超级并行计算机和机群的高性能CAE求解技术CAD/CAE/CAM已成为技术人员实施技术创新的得力工具，每秒千亿次、万亿次、千万亿次及量子计算机即将诞生，分布式并行计算机群即将投入使用，为适应这种情况，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些实用的新算法将不断问世。这些新的高性能算法必然会被做成CAE的软件模块，使其在对复杂的工程或产品仿真时，能够充分发挥超级并行计算系统的软、硬件资源，高效率和高精度地获得计算结果。 GUI＋多媒体的用户介面 伴随着计算机图形用户介面（GUI）和联机共用的图形与数据库软件的发展，狭义的语音输入/输出已成现实，计算机视觉系统很快能在一定范围内分析体态、眼神和手势，不久的将来会听、看、说、写和学习的计算机将问世，这些多媒体技术一定会使未来CAD/CAE/CAM软件的用户介面具有更强的直观、直感和直觉性， CAE软件将来不仅具有常见的弹出式下拉菜单，对话框、工具杆和多种数据导入的宏命令，还要开发若干专用的智能用户介面，帮助用户选择单元形态，分析流程，判断分析结果等，使某些专业用户使用CAE软件，就像使用“傻瓜”相机一样，具有一按即得的功效。 CAM技术的发展趋势 CAM技术的发展趋势将体现在以下几方面∶ 面向对象、面向工艺特征的结构体系 传统CAM曲面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/CAE/CAM的集成化、自动化、智能化达到一个新的水平。 基於知识的智能化系统 未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。 使相关性编程成为可能 尺寸相关、参数式设计等CAD领域的特性，有希望被引伸到CAM系统之中。目前，以Delcam 公司的PowerMILL及WorkNC为代表，采用面向工艺特征的处理方式，系统以工艺特征提取的自动化来实现CAM编程的自动化。当模型发生变化后，只要按原来的工艺路线重新计算，即实现CAM的自动修改。由计算审自动进行工艺特征?工艺区域的重新判断并全自动处理，使相关性编程成为可能。目前已有成熟的产品上市，并为北美、欧洲等发达国家的模具界所接受。由於CAM系统专业化、智能化、自动化水平的提高，将导致机侧编程方式的兴起，将改变CAM编程与加工人员及现场分离的现象。 提供更方便的工艺管理手段 CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，未来CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及即时修改提供了条件。较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程全自动批次处理。据报道，未来的CAM系统将能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并能以超文本格式进行网络浏览。 随着互联网的普及，宽带通信技术的突破，通信、广播和计算机三网融合的步伐会加快，一个完全信息化的、充满虚拟色彩，而又现实的新时代即将到来，它将改变现代人的工作、学习、交往和娱乐方式。立足于全社会公用网络环境，建立专业化的虚拟网络服务环境，并开发适应於这类网络环境的CAD/CAE/CAM软件产品，创建CAD/CAE/CAM网上专营店，实施网上经销、网上培训与谘询服务，以及计算量大的软件网上运行，使用户能够实现多专业、异地、协同、综合全面地设计与分析，实施工程与产品创新，这将是CAD/CAE/CAM软件行业未来发展的新趋势。据报道：ANSYS公司已经和HP、EAI合作创建了一种针对ANSYS的网上服务体系。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/29/2004)