CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用概述

計(jì)算機(jī)輔助造型以及有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析中,成功的解決了許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題,已成為工程設(shè)計(jì)和分析中的重要工具。

此次設(shè)計(jì)中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實(shí)際意義。在三維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)尾噴管，一個(gè)舵，還有一個(gè)機(jī)翼，其中尾噴管由四部分組成，包括內(nèi)部的支撐部分，和外部的蒙皮部分。舵和機(jī)翼都是由兩個(gè)以上的蒙皮表面構(gòu)成。在有限元分析中，包括金屬薄板的彈塑性分析，以及舵面的彈塑性分析， 其中還對(duì)薄板進(jìn)行了超塑性分析。

一、引言

為了滿足航天產(chǎn)品多品種，小批量研制生產(chǎn)的需要，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造，實(shí)現(xiàn)并行工程，敏捷制造，柔性生產(chǎn)，成為加快我國(guó)航天制造技術(shù)的發(fā)展的有效方法。

傳統(tǒng)的航天零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及加工都是根據(jù)二維工程圖樣來(lái)完成的，加工出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度不高，往往要不斷的修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不斷的修改模具，所以，它的研發(fā)周長(zhǎng)、成本高；采用最新的CAD/CAE/CAM——Pro/Engineer軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、模具設(shè)計(jì)周期和加工周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，大大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、模具設(shè)計(jì)成本。由于其功能強(qiáng)大，模塊眾多，使用者要具備較高的操作技巧和較豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)才能熟練地進(jìn)行建模。這對(duì)于普通的設(shè)計(jì)人員而言，使用Pro／E提供的實(shí)體建模模塊進(jìn)行3D造型設(shè)計(jì)并非易事，需要設(shè)計(jì)人員花大量的時(shí)問(wèn)和精力來(lái)熟悉Pro／E的建模技術(shù)和掌握一定的技巧。

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中,為取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),企業(yè)迫切需要能夠迅速開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品,并迅速搶占市場(chǎng)。因此企業(yè)界迫切需要高技術(shù)、高速度、低成本的設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及,有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法,有限元在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制中所顯示出的無(wú)可倫比的優(yōu)越性,使其成為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中制勝的一個(gè)重要工具。

1.1 國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀

目前在我國(guó)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）,計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁Ｈ绻屛覀冋{(diào)查一下國(guó)內(nèi)企業(yè)中CAD的應(yīng)用，會(huì)得出如下結(jié)論，很多所謂CAD應(yīng)用很好的企業(yè)，也只是做到用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)出圖的現(xiàn)狀，當(dāng)然計(jì)算機(jī)出圖是有很多優(yōu)點(diǎn)的，漂亮、規(guī)范、修改容易、存檔方便等。但是如果我們只是停留在這個(gè)階段，就失去了CAD的作用，因?yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì)，不是輔助繪圖。既然是設(shè)計(jì)就不但想到產(chǎn)品的機(jī)械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮CAD的作用。如果真正做到這一點(diǎn)，單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的，雖然傳統(tǒng)的制圖方法是通過(guò)二維視圖來(lái)描述三維實(shí)體，但這種描述做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到生產(chǎn)的自動(dòng)化，更有甚者，二維視圖的描述經(jīng)常出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤，因?yàn)槿藗冎皇前粗恍┮?guī)定在想象三維的模樣，限于這種描述方法的缺陷，必須找到更先進(jìn)的、更合理的三維設(shè)計(jì)手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。當(dāng)然這個(gè)目標(biāo)要有一個(gè)過(guò)程，但現(xiàn)在我們必須明確。

1.2 主要內(nèi)容

此次設(shè)計(jì)中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實(shí)際意義。介紹了建模的幾種方法和理論，以及有限元分析的基本理論。在三維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)尾噴管，一個(gè)舵，還有一個(gè)機(jī)翼，其中尾噴管由四部分組成，包括內(nèi)部的支撐部分，和外部的蒙皮部分。舵和機(jī)翼都是由兩個(gè)以上的蒙皮表面構(gòu)成。在有限元分析中，包括金屬薄板的彈塑性分析，以及舵面的彈塑性分析， 其中還對(duì)薄板進(jìn)行了超塑性分析。

二、某航天器零件的CAD造型與有限元分析

2.1 Pro/E軟件簡(jiǎn)介

Pro/E軟件拋棄傳統(tǒng)CAD 軟件中的線框和表面模型而直接鑒于3D 實(shí)體。使設(shè)計(jì)環(huán)境完全從2D或2D與3D混合狀態(tài)上升為純3D 模式，在此最直觀的3D 的設(shè)計(jì)環(huán)境中，設(shè)計(jì)者能更好的捕捉自己的設(shè)計(jì)意圖和激發(fā)設(shè)計(jì)靈感。

Pro/E 的3D 實(shí)體鑒于特征造型技術(shù)。在Pro/E 中，所面向的對(duì)象包括幾何特征、非幾何特征、零件模型、裝配模型、模具模型、加工模型等等，設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)這些對(duì)象所具有的內(nèi)在屬性、存在方式和存在狀態(tài)的準(zhǔn)確把握來(lái)得到理想中的模型。

Pro/E中所有的對(duì)象都是建立在單一數(shù)據(jù)庫(kù)中。并且此數(shù)據(jù)庫(kù)是唯一的、完整的，因而保證了在Pro/E中進(jìn)行的任何設(shè)計(jì)也都是全相關(guān)的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的任何一處發(fā)生參數(shù)改動(dòng)，可以反應(yīng)到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)環(huán)節(jié)上。設(shè)計(jì)師可以依靠此功能完全拋棄傳統(tǒng)的工作方法，實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、加工設(shè)計(jì)等過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。

Pro/E的3D 特征實(shí)體是全參數(shù)化的，具有自適應(yīng)性和智能性。通過(guò)完備而準(zhǔn)確的參數(shù)和資料來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)體，產(chǎn)品模型的每一個(gè)設(shè)計(jì)尺寸都對(duì)應(yīng)一個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)命令或者關(guān)系式的形式來(lái)建立各參數(shù)之間的關(guān)系，以得到所要求設(shè)計(jì)的模型。

2.2 某航天器零件的CAD造型

在實(shí)體造型的過(guò)程中，要根據(jù)二維圖紙上的尺寸來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有一些復(fù)雜曲線在pro/E中要靈活對(duì)待，也許不同的人對(duì)設(shè)計(jì)同一個(gè)零件要花費(fèi)的時(shí)間會(huì)相差很大，這就是在繪制圖形的時(shí)候所用到的方法不同而導(dǎo)致的。比如一個(gè)不同截面的實(shí)體用可變截面掃描的方法會(huì)最省時(shí)間，再比如一個(gè)簡(jiǎn)單的立方體可以用掃描的方法，也可以用拉伸的方法，一塊薄板周圍有一些不同角度的翹板，考慮是在標(biāo)準(zhǔn)模式下造型還是在板金模式下造型。

2.3 Marc軟件簡(jiǎn)介

此次討論就是依據(jù)某航天器幾個(gè)零件的二維圖紙?jiān)赑ro／E軟件環(huán)境中進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，造型完畢后利用MSC/Marc有限元分析軟件對(duì)零件的成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，初步了解零件在加工之前的應(yīng)變過(guò)程及狀態(tài)，以及零件的受力、受熱情況，提供一些零件的重要性能參數(shù)。

Msc.Marc/Mentat是國(guó)際上通用最先進(jìn)非線性有限元軟件，它是MSC.Software coorperation(簡(jiǎn)稱MSC)公司的產(chǎn)品。MSC.Mentat是新一代非線性有限元分析的前后處理圖形交互界面。前者嚴(yán)密整合MSC.Marc和MSC.Mentat成為解決復(fù)雜工程問(wèn)題，完成學(xué)術(shù)研究的高級(jí)通用有限元軟件。

2.3.1 MSC.Mentat

MSC.Mentat是新一代非線形有限元分析的前后處理交互界面，與MSC.Marc求解器無(wú)縫連接。它具有以ACIS為內(nèi)核的一流實(shí)體造型功能；全自動(dòng)二維三角形和四邊形，三維四面體和六面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分建模能力；直觀靈活的多種材料模型定義和邊界條件的定義功能；分析過(guò)程控制定義和遞交分析，自動(dòng)檢查分析模型完整性的功能；實(shí)時(shí)監(jiān)控分析能力；方便的可視化處理計(jì)算結(jié)果能力；先進(jìn)的光照，渲染，動(dòng)畫和電影制作等圖形功能并可直接訪問(wèn)常用的CAD/CAE系統(tǒng)，如：ACIS,AutoCAD,C-MOLD,IGES,MSC.Nastran, MSC.Patran IDEAS，VDAFS,STL等等。

2.3.2 MSC.Marc

MSC.Marc是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件的求解器，它體現(xiàn)了30多年來(lái)有限元分析的理論方法和軟件的完美結(jié)合。他具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析沒(méi)能力。可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析。它提供了豐富的機(jī)構(gòu)單元，連接單元和特殊單元的單元庫(kù)。MSC,Marc的機(jī)構(gòu)分析材料庫(kù)提供了模擬金屬，非金屬，聚合物，巖土，復(fù)合材料等多種線性和非線性問(wèn)題的求解技術(shù)。為了進(jìn)一步提高計(jì)算精度和分析效率，MSC.Marc軟件提供了多種功能強(qiáng)大的加載步長(zhǎng)自適應(yīng)控制技術(shù)，自動(dòng)確定分析加載步長(zhǎng)。MSC.Marc卓越的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，以多種誤差準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密，即保證了計(jì)算精度，同時(shí)也使非線性分析的計(jì)算效率大大提高。此外，MSC.Marc支持全自動(dòng)網(wǎng)格重劃，用以糾正過(guò)度變形產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變，確保大變形分析的繼續(xù)進(jìn)行。

計(jì)算機(jī)輔助造型以及有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析中,成功的解決了許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題,已成為工程設(shè)計(jì)和分析中的重要工具。

此次設(shè)計(jì)中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實(shí)際意義。在三維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)尾噴管，一個(gè)舵，還有一個(gè)機(jī)翼，其中尾噴管由四部分組成，包括內(nèi)部的支撐部分，和外部的蒙皮部分。舵和機(jī)翼都是由兩個(gè)以上的蒙皮表面構(gòu)成。在有限元分析中，包括金屬薄板的彈塑性分析，以及舵面的彈塑性分析， 其中還對(duì)薄板進(jìn)行了超塑性分析。

2.4 有限元分析在工程上的應(yīng)用

目前,有限元法在機(jī)械工程上的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面:

靜力學(xué)分析:這是對(duì)二維或三維的機(jī)械結(jié)構(gòu)承載后的應(yīng)力、應(yīng)變和變形分析,是有限元法在機(jī)械工程中最基本、最常用的分析類型。當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的載荷不隨時(shí)間變化或隨時(shí)何的變化十分緩慢,應(yīng)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

模態(tài)分析:這是動(dòng)力學(xué)分析的一種,用于研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和自振型式等振動(dòng)特性。進(jìn)行這種分析時(shí)所施加的載荷只能是位移載荷和預(yù)應(yīng)力載荷。

諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析:這兩類分析也屬動(dòng)力學(xué)分析,用于研究結(jié)構(gòu)對(duì)周期載荷和非周期載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

熱應(yīng)力分析:這類分析用于研究、結(jié)構(gòu)的工作溫度不等于安裝溫度時(shí),或工作時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在溫度分布時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力。

接觸分析:這是一種狀態(tài)非線性分析,用于分析2個(gè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生接觸時(shí)的接觸面狀態(tài)、法向力等。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間力的傳遞均是通過(guò)接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所以有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用很多都是接觸分析。但是,以前受計(jì)算能力的制約,接觸分析應(yīng)用的較少。

屈曲分析:這是一種幾何非線性分析,用于確定結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀,例如壓桿穩(wěn)定性問(wèn)題。

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中,為取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),企業(yè)迫切需要能夠迅速開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品,并迅速搶占市場(chǎng)。因此企業(yè)界迫切需要高技術(shù)、高速度、低成本的設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及,有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法,有限元在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制中所顯示出的無(wú)可倫比的優(yōu)越性,使其成為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中制勝的一個(gè)重要工具。

2.5 有限元法分析的基本步驟

物體離散化。將分析的對(duì)象離散為有限個(gè)單元,單元的數(shù)量根據(jù)需要和計(jì)算精度而定。一般情況下,單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確,越接近實(shí)際變形,但計(jì)算量越大。

單元特性分析。首先進(jìn)行位移模式選擇。有限元法通常采用位移法,因此應(yīng)先選擇合理的位移模式(位移函數(shù)) 。然后分析單元的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義,找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式,亦即導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?這是分析中的關(guān)鍵一步。最后計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力。將單元邊界上的表面力、體積力或集中力等效地轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)上,也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替所有作用在單元上的力。

單元組集。利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)結(jié)起來(lái),形成整體剛度矩陣。

求解未知節(jié)點(diǎn)位移。解有限元方程求出節(jié)點(diǎn)位移,然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移求出所有的未知量。歸根到底,有限元法是求解常,偏微分方程的一種方法。理論上講,凡能夠歸納為求解微分方程的工程問(wèn)題都可以用有限元法來(lái)解決。因此有限元法可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體、聲學(xué)等分析。

本次討論主要進(jìn)行彈塑性分析。彈塑性是最常見(jiàn)，被研究得最透徹的材料非線性行為。采用屈服面，塑性勢(shì)和流動(dòng)定律得彈塑性力學(xué)模型，在20世紀(jì)初就幾經(jīng)建立起來(lái)，這些理論已經(jīng)在金屬和泥土塑性領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)編成數(shù)值成形分析工具， 但塑性有限元發(fā)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

描述超出線彈性范圍的材料的塑性理論由三個(gè)重要概念組成：

1.屈服準(zhǔn)則（Von Mises屈服準(zhǔn)則；Mohr-Coulomb和Drucker prager準(zhǔn)則）

2.流動(dòng)準(zhǔn)則

3.硬化準(zhǔn)則

三、總結(jié)和展望

3.1 總結(jié)

通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助造型及輔助工程的初步實(shí)踐，以及與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程的對(duì)比，切實(shí)體會(huì)到了數(shù)字化設(shè)計(jì)，制造的優(yōu)越性，將CAD與CAE有機(jī)的結(jié)合，將大大縮短產(chǎn)品的研制周期，降低成本，有效地提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。計(jì)算機(jī)輔助造型以及有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析中,成功的解決了許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題,已成為工程設(shè)計(jì)和分析中的重要工具。此次設(shè)計(jì)中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析，具有工程上的實(shí)際意義。了解了建模的幾種方法和理論，以及有限元分析的基本理論，以便更好地理解造型及有限元方法在工程中的應(yīng)用。通過(guò)這些方法的學(xué)習(xí)和使用，為以后更好地應(yīng)用和實(shí)踐計(jì)算機(jī)輔助工程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。能夠更加有效地更加快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，降低產(chǎn)品研制成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工程。

3.2 展望

產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用離不開(kāi)工程設(shè)計(jì)人員、工程管理人員、計(jì)算機(jī)專業(yè)人員的大力配合,只有把設(shè)計(jì)工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái),才能提高系統(tǒng)的實(shí)用性和先進(jìn)性。因此,應(yīng)有計(jì)劃地培養(yǎng)既懂專業(yè)又懂計(jì)算機(jī)的復(fù)合型人才,充實(shí)到設(shè)計(jì)隊(duì)伍和管理隊(duì)伍中去。

CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面∶

標(biāo)準(zhǔn)化

CAD軟件一般應(yīng)集成在一個(gè)異構(gòu)的工作平臺(tái)之上，只有依靠標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)才能解決CAD系統(tǒng)支持異構(gòu)跨平臺(tái)的環(huán)境問(wèn)題。目前，除了CAD支撐軟件逐步實(shí)現(xiàn)ISO標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，面向應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)零部件庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法已成為CAD系統(tǒng)中的必備內(nèi)容，且向合理化工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用方向發(fā)展。

開(kāi)放性

CAD系統(tǒng)目前廣泛建立在開(kāi)放式操作系統(tǒng)視窗95/98/2000/NT和UNIX平臺(tái)上，為最終用戶提供二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開(kāi)發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自己的CAD系統(tǒng)。

集成化

CAD技術(shù)的集成化將體現(xiàn)在三個(gè)層次上∶其一是廣義CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP經(jīng)過(guò)多種集成形式，成為企業(yè)一體化解決方案。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力與現(xiàn)代企業(yè)管理能力的集成，將成為企業(yè)信息化的重點(diǎn)；其二是將CAD技術(shù)采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高CAD系統(tǒng)的使用效率；其三是CAD基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。應(yīng)運(yùn)而生的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造、虛擬企業(yè)就是該集成層次上的應(yīng)用。例如，在美國(guó)通用汽車公司的生產(chǎn)過(guò)程，大量的零部件生產(chǎn)、裝配都通過(guò)“虛擬工廠”、“動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟”的方式完成，本企業(yè)只負(fù)責(zé)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)少數(shù)零部件，并最終完成產(chǎn)品的裝配。

智能化

設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)領(lǐng)域，智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。從人類認(rèn)識(shí)和思維的模型來(lái)看，現(xiàn)有的人工智能技術(shù)模擬人類的思維活動(dòng)明顯不足。因此，智能CAD不僅是簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與CAD技術(shù)相結(jié)合，更重要的是深入研究人類設(shè)計(jì)的思維模型，最終用信息技術(shù)來(lái)表達(dá)和模擬它，才會(huì)產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。CAD的這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)信息科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)與CAD集成

VR技術(shù)在CAD中的應(yīng)用面很廣，首先可以進(jìn)行各類具有沉浸感的可視化模擬，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。例如用這種模擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，可以清楚地看到物體的變形過(guò)程和應(yīng)力分布情況。其次它還可以在設(shè)計(jì)階段模擬產(chǎn)品裝配過(guò)程，檢查所用零部件是否合適和正確。在概念設(shè)計(jì)階段，它可用于方案優(yōu)化。特別是利用VR的交互能力，支援概念設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)，檢驗(yàn)操作時(shí)是否舒適、方便，這對(duì)摩托車、汽車、飛機(jī)等的設(shè)計(jì)作用尤其顯著，在協(xié)同設(shè)計(jì)中，利用VR技術(shù)，設(shè)計(jì)群體可直接對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行交互。更加逼真地感知到正在和自己交互的全體成員的存在和相互間的活動(dòng)。盡管VR技術(shù)在CAD中的應(yīng)用前景誘人，不過(guò)離廣泛推廣應(yīng)用還有一定距離。

CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾方面∶

真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)

隨著專用於圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片的發(fā)展，PC機(jī)的圖形處理能力近兩年會(huì)有成百倍的提高，再加上三維圖形算法、圖形運(yùn)算和參數(shù)化建模算法的發(fā)展，快速真三維的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成熟。因此CAE軟件的前后處理系統(tǒng)將會(huì)在復(fù)雜的三維實(shí)體建模及相關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖形處理技術(shù)方面有新的發(fā)展，例如復(fù)雜的三維實(shí)體建模及相應(yīng)的自適應(yīng)有限元剖分，復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理場(chǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)與即時(shí)提示等。

面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)

高性能價(jià)格比的大容量存貯器及其高速存取技術(shù)在迅速發(fā)展，PC機(jī)的硬盤容量很快將由GB量級(jí)達(dá)到TB量級(jí)，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(shí)性信息納入CAE軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中，這必將推動(dòng)CAE軟件數(shù)據(jù)庫(kù)及其數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展，高性能的面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)在新一代的CAE軟件中。

多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場(chǎng)耦合以及多尺度耦合分析 目前的CAE軟件，都僅限與宏觀物理、力學(xué)模型的工程和產(chǎn)品分析，雖然有少數(shù)軟件涉足了微機(jī)電系統(tǒng)分析，但其物理力學(xué)模型尚存在一定問(wèn)題。值得指出的是∶對(duì)于多物理場(chǎng)的強(qiáng)耦合問(wèn)題、多相多態(tài)介質(zhì)耦合問(wèn)題，特別是多尺度模型的耦合問(wèn)題，目前尚處于基礎(chǔ)性前沿研究階段。但是，它們已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的重點(diǎn)研究課題，由于其強(qiáng)烈的工業(yè)背景，基礎(chǔ)研究的任何突破，都會(huì)被迅速納入CAE軟件，不久的將來(lái)，將形成從材料性能的預(yù)測(cè)、仿真，到構(gòu)件與整個(gè)產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)、仿真，集計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)制備，到工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化於一體的新一代CAE系統(tǒng)。

適應(yīng)于超級(jí)并行計(jì)算機(jī)和機(jī)群的高性能CAE求解技術(shù)CAD/CAE/CAM已成為技術(shù)人員實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新的得力工具，每秒千億次、萬(wàn)億次、千萬(wàn)億次及量子計(jì)算機(jī)即將誕生，分布式并行計(jì)算機(jī)群即將投入使用，為適應(yīng)這種情況，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些實(shí)用的新算法將不斷問(wèn)世。這些新的高性能算法必然會(huì)被做成CAE的軟件模塊，使其在對(duì)復(fù)雜的工程或產(chǎn)品仿真時(shí)，能夠充分發(fā)揮超級(jí)并行計(jì)算系統(tǒng)的軟、硬件資源，高效率和高精度地獲得計(jì)算結(jié)果。

GUI＋多媒體的用戶介面

伴隨著計(jì)算機(jī)圖形用戶介面（GUI）和聯(lián)機(jī)共用的圖形與數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的發(fā)展，狹義的語(yǔ)音輸入/輸出已成現(xiàn)實(shí)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)很快能在一定范圍內(nèi)分析體態(tài)、眼神和手勢(shì)，不久的將來(lái)會(huì)聽(tīng)、看、說(shuō)、寫和學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)將問(wèn)世，這些多媒體技術(shù)一定會(huì)使未來(lái)CAD/CAE/CAM軟件的用戶介面具有更強(qiáng)的直觀、直感和直覺(jué)性， CAE軟件將來(lái)不僅具有常見(jiàn)的彈出式下拉菜單，對(duì)話框、工具桿和多種數(shù)據(jù)導(dǎo)入的宏命令，還要開(kāi)發(fā)若干專用的智能用戶介面，幫助用戶選擇單元形態(tài)，分析流程，判斷分析結(jié)果等，使某些專業(yè)用戶使用CAE軟件，就像使用“傻瓜”相機(jī)一樣，具有一按即得的功效。