cae在裝備制造業(yè)中發(fā)展趨勢

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1、引言制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱，裝備制造業(yè)是國家競爭力的集中體現(xiàn)，發(fā)達(dá)國家普遍將發(fā)展高端裝備產(chǎn)業(yè)置于戰(zhàn)略地位.2010年10月18日下發(fā)的《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定（國發(fā)2010【32】號）》，以提升制造業(yè)核心競爭力等為目標(biāo)，將高端裝備產(chǎn)業(yè)等列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè).我國已是世界制造大國，但與發(fā)達(dá)國家相比，自主創(chuàng)新能力薄弱等問題依舊突出.我國要從“制造大國”走向“制造強(qiáng)國”，需要變“中國制造”為“中國創(chuàng)造”，而其瓶頸之一就是缺乏“中國設(shè)計(jì)”國務(wù)院在發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》

2、總目標(biāo)中確定，“經(jīng)過15年的努力，在我國科學(xué)技術(shù)的若干重要方面實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：掌握一批事關(guān)國家競爭力的裝備制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，制造業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列.”其中，重點(diǎn)領(lǐng)域“裝備制造業(yè)”的發(fā)展思路之一是“提高裝備設(shè)計(jì)、制造和集成能力,用高新技術(shù)改造和提升制造業(yè)”，“數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)制造”被列為“優(yōu)先主題”之一，并指出：重點(diǎn)研究數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)，建立若干行業(yè)的產(chǎn)品數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)制造平臺；開發(fā)面向產(chǎn)品全生命周期的、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化、智能化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及技術(shù)，CAE分析與工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)、制造和管理的

3、集成技術(shù)；強(qiáng)調(diào)“重大產(chǎn)品和重大設(shè)施壽命預(yù)測技術(shù)是提高運(yùn)行可靠性、安全性、可維護(hù)性的關(guān)鍵技術(shù)；研究零部件材料的成分設(shè)計(jì)及成形加工的預(yù)測控制和優(yōu)化技術(shù)，基于知識的成形制造過程建模與仿真技術(shù)，制造過程在線檢測與評估技術(shù)，零部件壽命預(yù)測技術(shù)，重大產(chǎn)品、復(fù)雜系統(tǒng)和重大設(shè)施的可靠性、安全性與壽命預(yù)測技術(shù)”.以大規(guī)模數(shù)值模擬為主的CAE技術(shù)在工程研究中正發(fā)揮越來越重要的作用，當(dāng)前CAE技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單純數(shù)值分析的范疇，開始在高端裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、服役和維護(hù)全壽命周期管理中發(fā)揮作用.2007年，美國NSF啟動“通過千萬億級模擬和分析手段在科

4、學(xué)與工程領(lǐng)域加速探索”計(jì)劃，首選方向?yàn)榕c裝備結(jié)構(gòu)研發(fā)緊密相關(guān)的材料模擬、計(jì)算流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)算法.歐盟也在2008年推出類似計(jì)劃，重點(diǎn)資助多尺度計(jì)算與工程設(shè)計(jì).　　大規(guī)模數(shù)值模擬在裝備研發(fā)和基礎(chǔ)研究中扮演越來越重要的角色.重大裝備吸能、抗沖擊、熱管理、輕量化和多功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，大型零件制造過程（冷、熱和特種加工）的數(shù)值模擬，面向功能、材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝因素的裝備結(jié)構(gòu)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以及大型流體葉輪機(jī)械葉片的非線性流固耦合動力學(xué)等工程中的理論和技術(shù)研究都離不開大規(guī)模數(shù)值模擬技術(shù)的突破.如先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算結(jié)

5、構(gòu)力學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，對大型飛機(jī)的研發(fā)產(chǎn)生深刻的革命性變化：發(fā)達(dá)國家飛機(jī)設(shè)計(jì)中已有30%～50％的氣動數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)模擬提供；據(jù)國外資料統(tǒng)計(jì)，若不大量使用大規(guī)模數(shù)值模擬技術(shù)，僅完成現(xiàn)代飛行器氣動設(shè)計(jì)所需風(fēng)洞試驗(yàn)就要多耗費(fèi)5～10年.　　CAE技術(shù)綜合性高，產(chǎn)業(yè)附加值高，技術(shù)輻射和擴(kuò)散能力強(qiáng)，是科學(xué)走向工程的橋梁.從當(dāng)前高端裝備制造領(lǐng)域國家重大項(xiàng)目和航空航天裝備發(fā)展趨勢看，CAE戰(zhàn)略高技術(shù)特性日益顯現(xiàn)，且國際合作日益緊密.進(jìn)入21世紀(jì)，高端裝備制造紛紛被各國重新列為優(yōu)先戰(zhàn)略領(lǐng)域，使得CAE技術(shù)需求旺盛.另一方面，各學(xué)科基礎(chǔ)

6、研究成果和應(yīng)用技術(shù)的不斷突破為CAE發(fā)展帶來新動力.　　CAE的本質(zhì)不僅僅是分析，還涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、制造和服役的全壽命過程.高端裝備設(shè)計(jì)與制造都離不開現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展.目前，國際高端裝備制造領(lǐng)域CAE前沿技術(shù)發(fā)展趨勢主要包括：服務(wù)于分析的多物理場響應(yīng)CAE求解技術(shù)，服務(wù)于設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，服務(wù)于制造技術(shù)的CAE模擬技術(shù)，以及服務(wù)于全生命周期的管理技術(shù).而且，現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念包含材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，環(huán)境與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)以及環(huán)境、功能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì).　　1綜合服役環(huán)境下的結(jié)構(gòu)CAE分析技術(shù)　　當(dāng)前，具有

7、戰(zhàn)略意義的重大裝備往往在復(fù)雜多物理場環(huán)境中服役，包括高溫、高壓、沖擊、噪聲、強(qiáng)過載和復(fù)雜電磁耦合等惡劣綜合環(huán)境.新型或特種裝備在服役過程中往往處于振動、噪聲、過載和熱等綜合力學(xué)環(huán)境中.服役綜合力學(xué)環(huán)境的準(zhǔn)確預(yù)示是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平、控制精度和縮短研制周期的關(guān)鍵問題，并且影響結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)，其涉及環(huán)境預(yù)示理論和實(shí)驗(yàn)方法，綜合環(huán)境下結(jié)構(gòu)動力學(xué)和振動控制及結(jié)構(gòu)與環(huán)境的耦合理論和算法等關(guān)鍵力學(xué)問題.　　以當(dāng)前國際上具有代表意義的臨近空間飛行器為例，嚴(yán)酷的氣動熱、氣動噪聲和機(jī)體振動等強(qiáng)烈的相互作用具有多物理場耦合特點(diǎn)，使飛行器服役處于超

8、常環(huán)境中.氣動熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)“剛化”，還可使材料特性隨溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，從而導(dǎo)致聲-振耦合動力學(xué)特性變化.因此，在飛行器設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核中必須考慮聲-振特性.如何求解和預(yù)示超常環(huán)境下的多物理場耦合效應(yīng)是臨近空間飛行器研發(fā)、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)必須面對