1.1　CAD/CAE概述

20世纪50至60年代CAD技术处于准备和酝酿时期，被动式的图形处理是这个阶段CAD技术的特征。60年代CAD技术得到蓬勃发展并进入应用时期，这个阶段提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的进一步发展和应用打下了理论基础。70年代CAD技术进入广泛使用时期，1970年美国Applicon公司首先推出了面向企业的CAD商业化系统。80年代CAD技术进入迅猛发展时期，这个阶段的技术特征是CAD技术从大中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。90年代以后CAD技术进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，CAD技术具有良好的开放性，图形接口、功能日趋标准化。

计算机加视窗操作系统与工作站加操作系统在因特网的环境下构成CAD系统的主流工作平台，同时网络技术的发展使得CAD/CAE集成化体系终于摆脱了空间的约束，适应了现代企业的生产布局及生产管理的要求。在CAD系统中，正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等高新技术得到综合应用，大大提高了CAD自动化设计的能力，智能CAD也因此应运而生。智能CAD将工程数据库及管理系统、知识库及专家系统、拟人化用户界面管理系统集于一身。

CAD体系结构大体可分为基础层、支撑层和应用层三个层次。基础层由计算机及外围设备和系统软件组成。随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的主要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求，有各自的CAD专用软件来支援相应的CAD工作。

CAE主要指用计算机对工程问题进行性能分析，对分析对象的运行情况进行模拟，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软件是将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，可以解决实际工程实践中理论分析无法解决的复杂问题。

CAE技术的研究始于20世纪50年代中期，CAE软件出现于70年代初期，80年代中期CAE软件在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟。目前，国际上知名的CAE软件有MSC、Tass MADYMO、ANSYS、ABAQUS、ADINA等。近年是CAE软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为航空、航天、机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续过程各类问题的一种重要手段。其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。前后处理是CAE软件实现与CAD、CAM等软件无缝集成的关键性组成部分，它们通过增设与相关软件（如Pro/E、CATIA、NX及SolidWorks等软件）的数据接口模块，实现有效的集成。通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块，实现特定行业的有效应用。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要取决于单元库和材料库的丰富和完善程度。知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学行为，具有较强的分析模拟能力。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要取决于解法库。特别是在并行计算机环境下运行，先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。CAE软件现已可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。目前国际先进的CAE软件已经可以对工程和产品进行如下的性能分析、预报及运行行为模拟。

（1）静力和拟静力的线性与非线性分析：包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。

（2）线性与非线性动力分析：包括交变荷载、爆炸冲击荷载、随机地震荷载以及各种运动荷载作用下的动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析等。

（3）声场与波的传播计算：包括静态和动态声场及噪音计算，固体、流体和空气中波的传播分析，以及稳态与瞬态热分析（传导、对流和辐射状态下的热分析，相变分析等），静态和交变态的电磁场和电流分析（电磁场分析、电流分析、压电行为分析等），流体计算（常规的管内和外场的层流、端流等）等。