CAE技術(shù)和軟件的跨越性發(fā)展

        CAE技術(shù)、產(chǎn)品及其軟件產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，特別是從20世紀(jì)末期，隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在強(qiáng)大需求的牽引下，CAE技術(shù)發(fā)展很快。我認(rèn)為，CAE技術(shù)無論在CAE軟件的功能、性能、軟件技術(shù)上，還是在用戶界面的智能化、使用環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化，以及CAE軟件企業(yè)的網(wǎng)上鏈鎖咨詢服務(wù)等方面都會有明顯的發(fā)展。
        CAE的發(fā)展不僅體現(xiàn)了需求牽引的特征，同時(shí)也充分體現(xiàn)了信息時(shí)代的全球化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展特征。值得注意，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，寬帶通信技術(shù)的突破，通信、廣播和計(jì)算機(jī)三網(wǎng)合一的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)完全信息化的、充滿著虛擬色彩，而又實(shí)實(shí)在在的新時(shí)代已經(jīng)到來，它正在改變著現(xiàn)代人的工作、學(xué)習(xí)、交往和娛樂方式，實(shí)現(xiàn)處處可以學(xué)習(xí)，處處可以工作。全球網(wǎng)絡(luò)化使得專業(yè)化的CAE軟件企業(yè)開展網(wǎng)上鏈鎖咨詢服務(wù)成為可能。
        立足于全社會的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，建立專業(yè)化的CAE網(wǎng)上鏈鎖咨詢服務(wù)店，實(shí)施網(wǎng)上經(jīng)銷、網(wǎng)上培訓(xùn)與咨詢服務(wù)，以及計(jì)算量大的工程設(shè)計(jì)網(wǎng)上協(xié)同計(jì)算，模擬仿真，使用戶能夠進(jìn)行多專業(yè)、異地、協(xié)同、并行地設(shè)計(jì)與分析，實(shí)施工程與產(chǎn)品創(chuàng)新，這將成為CAE軟件應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展方向。
        這種網(wǎng)上連鎖咨詢店能否生存，關(guān)鍵在于能否建立一個(gè)自適應(yīng)于當(dāng)前社會環(huán)境的、實(shí)現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和合理付費(fèi)的機(jī)制。這種機(jī)制應(yīng)該保證軟件與數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)的擁有者，能夠依據(jù)合同條款從使用者那里獲得合理的收益，并給用戶提供一個(gè)方便地調(diào)用軟件和訪問數(shù)據(jù)，以及方便、合理的付費(fèi)途徑。
        我們也要看到，CAE軟件作為一個(gè)專業(yè)化的創(chuàng)新工具，不僅現(xiàn)在在企業(yè)推廣應(yīng)用具有一定的難度，在實(shí)現(xiàn)專業(yè)化的CAE軟件網(wǎng)上連鎖營銷、咨詢服務(wù)方面也會遇到困難。其實(shí)，這不是一個(gè)技術(shù)性難題，而是一個(gè)涉及到知識產(chǎn)權(quán)意識和法律觀念的問題。我相信，社會需求和潛在的巨額利潤，會激勵有志之士，摸著石頭過河，一步步地解決這個(gè)難題，使CAE網(wǎng)上連鎖營銷、咨詢服務(wù)店走上興旺發(fā)達(dá)之路。

        CAE的功能發(fā)展趨勢

        CAE的功能發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在七個(gè)方面：
        其一，可變形體與多體耦合分析，實(shí)現(xiàn)形體變化與荷載變化并發(fā)狀態(tài)下的可變形體系的動力與振動分析。例如，衛(wèi)星天線、機(jī)器人、起落架。多體耦合狀態(tài)下的靜力、動力與振動分析，包括多體接觸分析，多體耦合動力分析與多體耦合振動分析。例如，車輛與路軌，車輛與橋梁等。
        其二，多相多態(tài)介質(zhì)耦合分析。復(fù)雜的工程/產(chǎn)品大都是處在多物理場與多相多態(tài)介質(zhì)非線性耦合狀態(tài)下工作，其行為絕非是多個(gè)單一問題的迭加，這樣就必須進(jìn)行多物理場（力場、滲流場、溫度場、電磁場等）的非線性耦合分析和多相與多態(tài)（流、固、氣）介質(zhì)的耦合分析。
        其三，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。實(shí)現(xiàn)多物理場（熱、力、電、磁……）耦合作用下的物理和力學(xué)性能的組合優(yōu)化，以及材料及結(jié)構(gòu)性能一體化的優(yōu)化等多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。
        其四，多尺度耦合分析與材料—結(jié)構(gòu)一體化計(jì)算、仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，CAE軟件基本上局限于宏觀物理、力學(xué)模型的工程、產(chǎn)品分析。對于多物理場的強(qiáng)耦合問題、多相介質(zhì)耦合問題，特別是多尺度耦合問題，目前尚沒有統(tǒng)一、可靠的理論和方法，處于基礎(chǔ)性前沿研究階段，它們已經(jīng)成為國內(nèi)外科學(xué)家主攻的目標(biāo)，由于其強(qiáng)烈的工業(yè)背景，基礎(chǔ)研究的任何突破，都會被迅速納入CAE軟件，以支持新興工程/工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。
        其五，從材料設(shè)計(jì)到工程/產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化于一體的CAE系統(tǒng)。隨著計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展，不遠(yuǎn)的將來，計(jì)算機(jī)輔助于材料設(shè)計(jì)將會納入CAE軟件，實(shí)現(xiàn)從材料性能的預(yù)測、仿真，到構(gòu)件與整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測、系統(tǒng)仿真，形成集計(jì)算機(jī)輔助于材料設(shè)計(jì)、制備，到工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化于一體的新一代CAE系統(tǒng)。
        其六，微機(jī)電系統(tǒng)分析與納米計(jì)算。隨著多物理場、多相介質(zhì)耦合分析，多尺度分析理論與計(jì)算方法，以及深亞微米、納米科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，以及開發(fā)微機(jī)電系統(tǒng)的強(qiáng)烈需求，專門用于微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算和系統(tǒng)仿真的CAE軟件正在開發(fā)，不久將會問世。
        最后，CAE作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析工具和手段，必然與先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和工具緊密結(jié)合，將與CAI（計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新）技術(shù)和工具相結(jié)合，開發(fā)出更加智能化的CAE產(chǎn)品。

        巨型計(jì)算機(jī)與網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)對CAE的影響和促進(jìn)

        CAE技術(shù)和軟件的性能隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而不斷攀升。首先，已經(jīng)出現(xiàn)基于超級計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)機(jī)群的并行計(jì)算CAE系統(tǒng)。值得指出，每秒百萬億次（135萬億次）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)問世，每秒千萬億次的計(jì)算機(jī)與機(jī)群系統(tǒng)即將誕生，適應(yīng)這些大規(guī)模并行計(jì)算平臺的新型高精度和高效率算法正迅速發(fā)展。新一代的CAE系統(tǒng)將能夠解算數(shù)千萬階的代數(shù)方程組，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜工程（產(chǎn)品）的實(shí)時(shí)和三維仿真。
        其次，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)將千萬臺各類計(jì)算機(jī)連接在一起，專家們正在開發(fā)將互聯(lián)網(wǎng)上所有計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫以其連接的實(shí)驗(yàn)設(shè)備統(tǒng)一和有效使用的網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)。隨著這一技術(shù)的成熟，一定會出現(xiàn)基于網(wǎng)格計(jì)算的CAE系統(tǒng)。
        第三，將出現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的集成化與支持協(xié)同工作的CAE系統(tǒng)。隨著分布式對象集成技術(shù)和網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以及大型工程和復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)中實(shí)施并行工程和研究設(shè)計(jì)集團(tuán)的聯(lián)合攻關(guān)，未來的用戶將不再需要單一的CAD、CAE、CAM、CAPP、PDM和ERP產(chǎn)品，它們需要基于互聯(lián)網(wǎng)的、具有行業(yè)特色的、集成化與支持協(xié)同工作的套裝系統(tǒng)。
        這些系統(tǒng)，對大型工程和復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。例如發(fā)電廠、化工廠、飛機(jī)、輪船、高速列車以及航天技術(shù)產(chǎn)品等，它們由數(shù)萬到數(shù)百萬個(gè)構(gòu)件和數(shù)以千計(jì)的設(shè)備組成，其設(shè)計(jì)、分析、安裝模擬和運(yùn)行仿真，都要涉及數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員。因此，基于Internet和Gridcomputing的異地、異構(gòu)系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對大型工程（復(fù)雜產(chǎn)品）的全面分析和運(yùn)行仿真，將成為CAE的一個(gè)十分重要的發(fā)展方向。

        CAE軟件技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢

        經(jīng)過多年的研究，目前，真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等CAE軟件的支持技術(shù)都有了很大的進(jìn)展。
        計(jì)算機(jī)圖形處理能力近年有了上百倍的提高，再加上三維圖形算法、圖形運(yùn)算和參數(shù)化建模的發(fā)展，快速真三維的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成熟。因此，CAE軟件的三維實(shí)體建模，復(fù)雜的靜態(tài)、動態(tài)物理場的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會實(shí)用化。
        另一方面，高性能價(jià)格比的大容量的存貯器及高速存取技術(shù)正在迅速發(fā)展，PC機(jī)的硬盤容量很快將由GB達(dá)到TB量級。用戶將要求把更多的計(jì)算模型、設(shè)計(jì)方案、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識性信息納入CAE軟件的數(shù)據(jù)庫中。Internet和Gridcomputing環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將能夠管理多用戶并發(fā)存取的、與時(shí)間空間相關(guān)的、大量非結(jié)構(gòu)化的、各種類型的數(shù)據(jù)。因此，高性能的、基于網(wǎng)格環(huán)境的、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也將會出現(xiàn)在新一代的CAE軟件中。

        有效集成更好地滿足企業(yè)用戶的深層次需求

        順應(yīng)企業(yè)應(yīng)用需求，CAE軟件需要在集成化、專業(yè)化與屬地化方面有進(jìn)一步發(fā)展。在這方面，CAE軟件企業(yè)需要有較好的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路。
        目前市場上多數(shù)CAD、CAE、CAM、PDM產(chǎn)品還是單一、孤島式的，集成化程度不高。隨著制造企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)方面的自主創(chuàng)新和實(shí)施并行工程，企業(yè)將需要與CAD、CAE、CAM、PDM無縫連接的、具有專業(yè)特色的CAE系統(tǒng)。
        我認(rèn)為，滿足專業(yè)化屬地用戶的需求，即國外CAD/CAE/CAM/PDM軟件產(chǎn)品的中國化，以及中國出口軟件的屬地化，應(yīng)該成為CAE軟件開發(fā)商的經(jīng)營之道。
        同時(shí)，實(shí)現(xiàn)初級集成化的途徑，如橋式軟部件連接、共享數(shù)據(jù)庫+橋式軟部件連接、建立基于Internet的、可支持二次開發(fā)的智能化信息交換平臺等已經(jīng)成熟。值得關(guān)注的是，除了上面介紹的CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢外，CAE軟件在用戶界面與智能化等方面，也將隨著企業(yè)應(yīng)用需求的不斷深化而呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。
                                               責(zé)編/韓躍清


        崔俊芝院士簡介：
        
        崔俊芝，1938年7月12日出生，河南省新鄉(xiāng)市人。1962年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)專業(yè)，1995年當(dāng)選為中國工程院院士，現(xiàn)任中國科學(xué)院計(jì)算數(shù)學(xué)與科學(xué)工程計(jì)算研究所研究員。
    崔俊芝院士早年在馮康教授指導(dǎo)下從事有限元方法研究，于1964年初研制出我國第一個(gè)平面問題通用有限元程序，成功地解決了劉家峽大壩的復(fù)雜應(yīng)力分析問題。1973年首先揭示了有摩擦的接觸體內(nèi)的應(yīng)力狀況與加載路線的相關(guān)性，有效地解決了口龔咀大壩帶縫運(yùn)行和運(yùn)行中加固等復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析難題。
    20世紀(jì)80年代以來主持并參加研制了“通用有限元程序系統(tǒng)(FEPS)”和“建筑工程設(shè)計(jì)軟件包(BDP)”等；同時(shí)針對科學(xué)和工程應(yīng)用軟件研制的方法論，提出了一種算法自適應(yīng)組織的方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。近年來針對周期型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和周期性結(jié)構(gòu)，發(fā)展了一種宏觀特征和細(xì)部構(gòu)造相結(jié)合的雙尺度分析方法。發(fā)表論文50余篇，出版專著3本，獲得1981年國家自然科學(xué)獎二等獎等多項(xiàng)獎勵。