汽车制造与试验技术修改(试述在机械设计专业及机械学科发展中CAE技术与力学的作用)

摘要：基于学科发展的培养学生的视角，阐述了在机械设计专业及机械学科发展过程中，CAE技术与力学的关键作用。

关键词：CAE力学学科发展机械设计

中国制造崛起的一个重要表现是生产能力迅速扩张。初步估计，我国已有上百种制造产品（涉及家电制造业、通信设备、纺织、医药、机械设备、化工等十多个行业）的产量成为“世界第一”，这其中机械设计专业培养的学生功不可没[1]。

机械设计制造和自动化专业是一个集机械设计与制造、计算机科学和信息技术于一体的交叉学科。专业培养以机械设计与制造为基础，并且能够运用先进设计制造技术。在工业生产中从事机械制造的设计、制造、开发和利用。在现代机械行业中，往往会出现很多复杂的技术问题，因此需要具备各方面技术的理论与方法的人才。这也就是机械设计制造与自动化专业对于我国机械行业人才储备的重要意义。

从培养学生的角度看，要能够培养合格优秀的机械设计专业人才，必须以科学发展观为指导。通过对教学工作方式和方法的改进，完善机械设计制造与自动化素质教育体系，建立宽厚的基础知识结构，按照厚基础、宽知识、强能力、高素质的教学改革方向，强化政治思想、人文素质和基本理论知识。通过理论指导和实践探索，对该专业的教学理念进行更新[2]。加强学科内容的创新、教学方法的灵活化，促进教师不断加强自身素质的提高。在教学中不断提高自身的教学水平，并且将专业知识与社会环境相结合，务实求真，更好地教育学生。此外，有条件的学校，应该在专业选修课中增设学科前沿性课程、跨学科课程、综合性课程、理论基础类课程、理论提高类课程、双语教学和能力培养课程，加大选修课的比例[3]。

从学科发展的角度，东北大学的闻邦椿院士认为[4]，机械学科的发展战略首先要考虑现代机械的发展趋向和国际研究的前沿，这些趋向和研究前沿可大致分为以下四个主要方向：尖端制造方向、综合集成方向、信息化方向、绿色化方向。

针对产品质量的设计方法而言，设计方法论正在向产品综合质量或综合性能的总体方向发展，它是以产品设计总体质量为目标，即在最大范围内来满足用户对产品总体质量或综合性性能的要求。综合设计法的普遍公式是（1+3）+x。括E中1是概念设计，或功能优化设计；3是三化综合设计法，即综合动态优化、智能优化和可视优化设计为一体的广义优化方法；x是依据产品的特点采用的设计方法。举例来说，针对大型非线性问题结构的必须考虑其非线动力学问题。

哈尔滨工业大学的黄文虎院士，论述了必须加强机械与力学等各学科的交叉研究[5]。他举例来说，大型旋转机械因容量和参数提高而导致非线性影响加强，必须采用非线性动力学设计的原理、理论和方法。

事实上，在机械设计与力学的融合方面，CAE技术是典范之一。CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴的多学科交叉技术。CAE是指ComputerAidedEngineering，泛指用计算机辅助分析、计算和仿真在内的一切研发活动，其核心是基于计算力学的有限元分析技术。

以美国福特汽车为例，在2000年引用CAE技术之后，与20世纪90年代初期相比较，新车的开发周期由原来的36个月降低为12～18个月，开发后期设计修改率减少50%，原型车制造和实验成本减少50%，投资收益提高50%。CAE技术在其他的机械设计领域中也发挥了作用，目前，航空航天、医疗器械、重工机械等行业对CAE技术的应用都非常重视，CAE产品设计的质量、寿命、性能和成本等方面发挥的作用已经无可替代。可以说，CAE技术的应用程度已经成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化程度的重要标志，以美国为首的发达国家甚至将CAE技术作为“事关国家竞争力和国家安全的战略技术”。

随着各种数值分析方法及力学理论的不断发展与完善，加之高速、大容量计算机的出现与推广，使高精度、大规模计算成为可能，从而推动了CAE技术的飞速发展。产品设计由原来的实机验证转变为CAE驱动的设计过程。现代产品设计中，CAD完成初步设计后，首先进行基于CAD模型的产品功能CAE虚拟试验，对产品的强度、刚度等工作性能进行仿真，如果不满足设计要求，就重新设计，直到功能全部满足设计要求，再进行试做。这样的设计流程，大大缩短了实物试验的周期，降低了试验成本[6]。

如图2和图3所示，基于CAE技术的机械产品开发过程大大减少了样机的制备和修正过程，极大降低了相关成本。

综合以上所述，我们认为，不管从给学生建立宽厚的基础知识角度看，还是从专业和学科发展来看，力学以及CAE技术都具有重要的意义。