CAE软件技术现状调研

 

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。

 

目录

一、国内外CAE软件现状

二、CAE软件系统技术研究现状

三、国内外免费CAE软件及开源软件介绍

四、发展趋势与痛点分析

 

• 国内外CAE软件现状

CAE软件按商业化模式，可分为商业化软件、自行开发专有软件、自由软件等，按源代码是否公开，分为开源软件和非开源软件，按应用领域分，可分为通用软件和专用软件；按软件规模分，则有大型软件和中小型软件。

表1.1 国外主流商业化通用有限元分析软件

名称	特点	国别
MSC.NASTRAN	权威	美国
MSC.MARC	非线性分析	美国
HKS/ABAQUS	非线性分析	美国
ANSYS	全领域分析软件、多场耦合	美国
HyperWorks	业内领先的前后处理、拓扑优化模块	美国
ASKA		德国
COSMOS		美国
COSMOL	多场耦合	美国
SuperSAP	由著名的SAP发展而来	美国
ADINA		美国
Venus	全部采用高阶单元	日本

 

表1.2 专用分析软件

名称	特点	国别
LSTC/DYNA	大变形分析，冲击过程的模拟	美国
MSC,DYTRAN	大变形，冲击过程的模拟	美国
PAM/CRASH	大变形分析，碰撞过程的模拟	法国
CFX	流体分析（非有限元法），与ANSYS完美配合	美国
Fluent	流场分析（ANSYS旗下产品），有全面广泛的物理模型，能快速得到分析结果	美国
FATIGUE	疲劳分析	英国
AnSoft	电磁场分析	美国
Deform3D	锻压过程模拟	美国
PAM/Stamp	冲压过程模拟	法国

可以看到无论通用CAE软件还是专用软件，几乎都是由美国公司垄断。

国内CAE软件的开发起步于上个世纪70年代，至今为止经过各大院校、科研院所和企业的努力，开发出一批专业领域的CAE软件，如：

中国飞机强度研究所开发的航空业结构分析软件，HAJIF；

复合材料设计软件COMPASS；

大连理工的SiPESC；

青岛数智船海科技有限公司的FastCAE；

中望龙腾软件股份有限公司的ZWSim；

元计算科技发展有限公司的FELAC，等。

但一个软件项目的成功与否，影响因素较多，如用户界面是否友好以及商业策略和外部环境等。另外一个不可忽略的因素就是，上个世纪90年代开始，美国对我国CAE软件的低价倾销和盗版软件的盛行，造成了国产软件的退市。

 

• CAE软件开发与研究现状

早期的CAE软件都是采用结构化软件设计方法、用FORTRAN语言和数据文件管理技术开发的结构化软件。近十五年来各大CAE软件不仅扩充了软件的功能、性能，更重要的是扩充了用户界面，前后处理能力；对数据管理和图形部分，进行了重大的改造。新增的软件成分大都采用了面向对象的软件技术和C++语言。

2.1、优秀CAE软件的基本特征

1）方便易用的用户界面；

2）功能完善的建模方法；

3）丰富的单元种类库和材料库；

4）易学易用的二次开发手段；

5）具有数据挖掘、知识驱动的能力。

2.1 软件系统开发现状

现阶段，面向对象技术由于其适应大规模软件开发、具有更好的可重用性、可维护性的特点，在CAE软件开发上得到了广泛应用。

2.1.1 国外学者的研究工作：

有限元分析软件的面向对象编程技术：

1）面向对象的有限元程序架构；

2）多体系统模拟；

3）数据管理；

4）大型有限元分析程序的代码设计；

5）图形开发环境；

6）自适应有限元分析；

7）基于知识的有限元分析系统；

8）有限元分析代码生成的专家系统；

9）数据挖掘；

网格刨分：

1）结点、单元、材料、约束等的对象化；44-46

2）面向对象的2为一级3维有限元网格自动生成；47，48

3）自适应网格的自动生成；49，50

并行/分布式处理：

1）面向对象的分布式处理有限元分析软件架构；51-56

2）针对共享内存的分布式系统的数据类的构造；57

有限元分析软件工具箱：

除前述开源有限元分析程序外，针对面向对象的有限元分析，大量学者开发出了一批用于有限元分析的面向对象的工具箱：KASKADE, FEMSTER,FER/SubDomain, SIFFEA, MEF, FrameView, MODIFY, OSW, Deside-X, MUIApp, FEMLIB, ALAMODE, FEView。58-63

2.1.2 国内研究现状：

1）有限元分析软件的面向对象技术；64-75

2）可视化技术；76-79

3）优化设计；80-82

4）其他方面83-105

2.1.3 数据管理系统与数据库

不同的CAE软件采用的数据管理技术不同：

文件管理系统， 关系型数据库管理系统，面向对象的工程数据库管理系统等；

数据库:标准构件库，典型工程/产品的结构图形库，常规材料特性数据库，相关的国家/国际标准与规范库，以及有关的知识库等。

数据管理系统和数据库已经成为大型应用软件实现系统继承的核心，它们为CAE软件的功能扩充，实现与CAD、CAM…软件的连接运行奠定了基础。

数据管理系统和数据库的优劣，对大型CAE软件的运行效率影响极大。统计资料表明，CAE软件在运行中，70%左右的时间是在进行数据交换。

三、国内外免费CAE软件及开源软件介绍

3.1 FastCAE

FastCAE是一套开源国产CAE软件集成开发平台，采用BSD3开源协议，用户可免费使用该框架并鼓励衍生软件商业化。FastCAE本质是一套CAE软件集成接口标准和数据标准框架，基于该框架集成任意的求解器、前处理和后处理模块。

FastCAE采用分层架构模式，以FastCAE核心架构为基础。提供标准功能模块及拓展接口，方便用户灵活集成自研求解器、前后处理等核心功能模块。

 

Github: https://github.com/DISOGitHub/FastCAE

官网：http://www.fastcae.com/

 

3.2 OpenCasCade

OpenCasCade 源自于法国的MatraDatavision公司，开放源码，OpenCascade提供二维和三维几何体的生成、显示和分析。它的设计是组件化的，分配的C++类:

1）定义数据结构 (geometric modeling, display 和 graphic selection)；

2）实现复杂算法；

3）提供应用程序接口 (APIs)；

大的模块分为6个：

表3.1 类库模块与内容

基础类 Foundation Classes	模型数据 Modeling Data	建模算法 Modeling Algorithms	可视化 Visualization	数据交换 Data Exchange	程序框架 Application Framework
Kernel Classes Math Utilities   核心类和数学库	2D Geometry 3D Geometry Geometry Utilities Topology   几何和拓扑	Construction of Primitives Boolean Operations Fillets and Chamfers Offsets, Drafts Sewing and Sweeps Features Hidden Line Removal Geometric Tools Topological Tools	Services Common to 2D and 3D 2D Visualization 3D Visualization	IGES STEP AP203 AP214 Extended data exchange (XDE)	Data Framework Data Storage Application Desktop

 

3.3 ZWSim

中望龙腾有限公司的ZWSim是一款多学科的CAE软件平台，它基于插件式的架构，各学科求解器在ZWSim上的集成非常容易。插件式架构的设计思想使得ZWSim中的前后处理功能必须高度通用、模块化，其基于命令的图形用户界面，为用户提供灵活的定制性与拓展性，对象化的数据管理特性为用户提供灵活的数据定制能力，按需加载的数据管理特性提供高效的内存平衡与显示优化。

 

3.4 SiPESC

SiPESC（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation，工程与科学计算集成化软件平台）是大连理工大学运载工程与力学学部/工业装备结构分析国家重点实验室在结构有限元分析与优化软件JIGFEX/DDJ/JIFEX等的基础上，研发的面向工程与科学计算的集成软件系统，目的在于构建适用于计算力学的科学研究和工程应用的公共服务软件平台，其特色是开放式、集成性和面向大规模计算。

SiPESC基于“平台（微核心）+ 插件”的体系结构，构建了插件及扩展的管理机制，支持系统功能的动态扩展，引入workbench（工作台）、workspace（工作空间）和project（项目）概念，方便用户构建专用的用户界面，管理各类项目文件；为用户二次开发提供统一的接口管理功能和实现模式。

3.5 其他开源软件：

CAD:

Salome, Archimedes, FreeCAD, BRL-CAD, Blender, QCad 

Mesh generation:

Netgen, Tegen, Gmsh, Triangle(2D)

Linear algebra:

Solvers: umfpack, Hypre

Packages: PetSc, Trilinos

Analysis:

Structural Mechanics: Code Aster, CalculiX, FELT, Impact

Fluid Mechanics: OpenFOAM, Code Saturne, GerrisFlow, Mfix, FeatFlow, FreeCFD

Electromagnetics: FastCAP(BEM), NGSolve

Multiphysics: Elmer, freefem++

FEM Libraries: deal.ll, LibMesh

Visualization:

Library:VTK

End-user programs: Paraview, Vislt, Mayavi, OpenDX

 

四、发展趋势及痛点分析

4.1 发展趋势

扩充CAE功能，实现多结构耦合分析，实现多物理场耦合分析，多尺度耦合分析，以及结构、构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真。

4.1.1 功能

1）可变形体与多提耦合分析；

2）多相多态介质耦合分析；

3）多物理场耦合分析；

4）多尺度耦合分析；

5）从材料设计到工程/产品设计、集仿真与优化于一体的CAE系统；

6）微机电系统分析。

4.1.2 性能

1）基于超级计算机和计算机群的并行计算CAE系统；

2）基于网格计算的CAE系统；

人们正在开发将互联网上所有计算机硬件、软件、数据库以及连接的实验设备统一和有效使用的网格计算技术。

3）基于互联网的集成化与支持协同工作的CAE系统；

4.1.3 软件技术

1. 真三位图形处理与虚拟现实；

2. 基于Internet和Grid computing的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库。

4.2痛点分析

市面用户对有限元软件的评价和期望。

4.2.1 使用有限元分析软件时最大的问题

1. CAD模型与分析模型转换不便，CAD数据与有限元模型对集合信息的要求不同，以及CAD软件与有限元分析软件的脱节造成的。

2. 软件操作复杂和技术支持不足。

4.2.2 选择有限元分析软件时最为关注的功能

1. 前后处理功能；

2. 分析功能、单元库；

 

 

文献

1. 国产CAE软件研发支撑平台的设计实现与应用；
2. 自主CAE平台OmtDesk及计算软件研发新进展；
3. 基于OverDrive的通用CAE前后处理平台；
4. SiPESC官网：http://www.sipesc.com/index.php/Index/product/id/21
5. 大型有限元分析软件的架构设计及其核心框架的实现

来源：青枣八神