计算机辅助工程建设中的工程科学

计算机辅助工程建设中的工程科学

黄颖

黄颖

身份证号：1202221991XXXX5027

摘要：以科学理论作为基础的工程实践与工程实践体现出理论价值的科学研究进行紧密的结合，共同的促进，计算机辅助工程是一种先进的工程技术手段、生产工具，使得科学理论的成果得到了广发应用，并且实现了更大价值，CAE软件系统主要是源于工程实际需求，始于理论研究成果，在工程和技术之间架起了桥梁。本文主要分析计算机辅助工程建设中的工程科学，以供借鉴。

关键词：计算机；辅助工程；工程科学

前言：以工程师计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）软件系统应用能力培养为出发点，介绍CAE软件技术发展的三个进程，提出发展自主可控的工程类应用软件系统是关系到技术创新能力可持续发展和高质量产品产出的根本。

1工程师CAE应用能力的培养

随着计算机、软件技术的发展，计算机辅助绘图从平面向三维拓展，同时参数化设计、变量化设计以及特征造型等技术不断发展进步，使计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）成为现实。CAD技术对产品的几何描述能力让工程师在产品设计阶段实现“甩图板”的目标，同时，CAE也随着技术手段的不断变革创新，成为对产品进行计算机分析工程研究的核心技术。然而时至今日，CAE软件和技术并不被普遍看好，原因是多方面的。企业常由于人才难求、软件太贵、硬件要求太高等诸多原因而感到“叫好不叫座”；技术人员也会由于要求“设计经验丰富、工艺要求熟练、行业标准掌握、测试技术规范”的门坎而认为是“博士也未必能用好的软件”。人们或许都了解CAE技术对提高企业技术水平的重要性，然而为体现企业技术水平的表现能力和重要程度，却时常只被用作给用户演示的摆设，这种无奈和无力令人寒心。有个现象是被人们普遍认可的——常利用CAE软件来寻求产品性能设计的年轻人，大多会在技术发展的道路上走得更远；常运用CAE软件来交流产品技术的企业，大多会在行业竞争中走得更踏实些。其主要原因是从工程科学应用能力培养来讲，商业软件通常有着推销时的言过其实，但是更多的是工程技术人员在应用中不知其所以然。比如说：第一，使用不当。在产品设计和工程应用中匆忙上马，缺乏对自身模型的充分认识和对外界因素的把握，大量的模拟分析工作流于形式，验证和考核仍然依靠试验确定，资金浪费和无效劳动造成更大的经济和时间损失在所难免。清楚的、易于理解的问题能吸引人们的兴趣，而复杂的问题却会使人们望而却步。第二，技术制约。从软件本身所提供的技术能力来讲，在产品设计和工程应用中，CAE软件作为提高企业竞争力的工具可以发挥优势，但工程科学中的竞争是残酷的、直接的，用户一般不可能跟竞争对手通过商业买卖转让最新的技术手段，特别是较高端的用户，切不要奢望。第三，从几何模型的外形描述到网格划分。CAD技术在直观图像中一开始就具有颇佳的展示效果，CAD的渲染效果光彩夺目，但CAE的前处理网格划分环节追求的不是视觉效果，而是产品的品质，主要表现为对产品设计和工程应用中的功能、特点、可信赖度和耐用度等的提高与追求，为满意地解决上述三个问题，应对CAE工程师进行良好的培训，包括：

1）工程设计和实施的原理（常规的工程课目如机械制图、绘图和机械设计、工程材料和工艺、车间实习等）；

2）工程问题的科学基础（物理和化学）；3）工程分析的数学方法（数学方法和数学原理，后者用来帮助理解数学方法的应用）。培训一名有能力的工程科学家是个历时七到八年的漫长过程，而完成这样的培训所要求具有的能力是很高的，所需要付出的努力是巨大的，所幸回报也是很大的。成功的CAE软件系统是众多学科理论研究成果和行业应用经验的集成系统，是工程科学家体现能力和水平的工具.从工程师到工程科学家，就是基础科学研究向工程实际项目的转移，对于企业，重点在于人员的教育和培训，而且凡事都有循序渐进的规律，急功近利是不行的.企业对CAE的爱之深，在于需求，在于依赖，因此培养和造就具有设计经验和行业背景的工程科学家是企业提高竞争力的当务之急.

2CAE软件技术的三个发展进程

自主可控的工程类应用软件系统关系到国家技术创新能力的可持续性发展和高质量产品的产出。作为工程科学的手段和工具，此类软件系统能从根本上改变产业结构，提升竞争能力。当然，其自身也作为一项系统化的工程科学呈现出三个令人鼓舞的发展进程。以变分原理为基础发展起来的有限元法，随着计算机的出现而形成以“计算力学”为标志的第一个里程碑，改变人们对于要求更高的设计和计算所采用的方式。利用计算机完成原先人工无法完成的大量有限元计算工作，推动基础数学理论应用于工程问题的求解，且在不断深入和完善.计算机与有限元的结合，使人们看到其所蕴藏着的巨大能量，计算科学采用先进的计算理解能力，从力学、热、流体和电磁等基本物理场的求解，逐渐发展到对以量子、分子和生物力学为基础的物理和生物系统模型的求解，对巨尺度的自然现象（海啸和雪崩）的了解、分析和指导也逐渐成为可能。计算力学的成就已经得到科学界公认：理论、实验和计算成为现代科学的三大支撑；计算力学产生CAE产业并成为新领域“计算科学”的核心。中国科学家在数学、物理学以及工程科学方面具有极其深厚的造诣，独立创立有限元法的数学理论基础，为实际应用提供可靠的理论保证。随着计算机技术的迅猛发展，物理和工程所遇到的众多挑战，给计算力学提供更多的发展机遇和空间。作为工程科学的应用和分析工具，自动建模技术和图形用户界面的出现满足人们能直观、便捷地得到工程所需信息的需求，使软件技术进入以“计算技术”为特征的第二个进程。图形处理和虚拟现实处理技术帮助人们很方便地实现工程分析的整个过程，改变工程师进行工程分析的常规做法.使用计算机进行数学公式自动求解和三维实体计算机建模，将深奥的计算力学理论藏进一个黑匣子；软件平台汇聚成一个包括图形模拟、数据库管理和并行处理等多学科的开发环境，工程师们更愿意接受来自领域科技成果展示的直观演示和指导，技术上的优势不再成为商业化成功的首要条件，而迎合市场需求的软件工具得到迅速普及和推广应用。根据行业规范或经验公式所积累的针对实际问题的工程解决方案，能更切合不同行业的实际需求，而这可能是理论研究目前还不能提供的.工程科学从不追求“最新”的科技成果，而是要求得到的最“有效”的解决方案，正是这种差别，使得以往起核心作用的计算力学理论受到来自工程科学实践的挑战。也正是这种对数学模型理解和工程领域应用之间的差别，基于仿真的工程科学迎来作为“计算工程”为目标的第三个发展进程，其主要目的是能够对工程问题进行确认和验证的变革与提升.这种转变的实质是数值模拟结果要从设计校核和“供设计参考”转变为“设计的依据”，要求数值模拟的置信度水平提高到前所未有的高度。由于所有的验证和确认都不只局限于公式与推理，对于工程的观测与试验以及行业规范和以往经验就显得必不可少。要求软件系统不仅能为工程科学提供资源和能力，而且还可以实现资源和能力的共享，其本身就是一项科技先进性始终走在市场发展最前沿的工程项目。只要愿意支持和加入软件系统的企业都可以为整个行业提供资源和能力，引领工程科学进步；也只有学习和应用软件系统的企业，才可以分享所提供的资源和能力。目前，软件系统的确认和验证能力还处于起步阶段，只有经过多学科、多行业的交互和反馈，才能在完善中提高软件系统的能力，这是工程科学应用软件的发展方向.因此，建立自主CAE软件产业的意义就在于能够把握住自己的命运。

结束语：

综上所述，面向工程科学的应用软件系统是科学理论成果得以在工程中体现价值的工具、手段，是企业技术创新能力可持续化发展的保证。而工程科学主要是将基础科学知识应用于工程问题”的科学，是缩短“纯科学的现实与工业的应用之间的距离”的科学。软件技术发展的每一次进步，都是以缩短理论与工程的距离为目标、以融合科技与应用的实践为对象的推进.从这点上看，构建应用软件工程本身就是一次集计算力学、计算技术和计算工程，甚至是超越技术范畴的人文社会科学成果的庞大系统工程，是挑战工程科学新高度和综合社会资源的竞争。

参考文献：

[1]希尔伯特.数学问题[M].李文林，袁向东，译.大连：大连理工大学出版社，2009.

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