История развития компьютерного инжиниринга

Термин CAD претерпел эволюцию от первоначального “чертежного” варианта Computer-Aided Drafting до современного – Computer-Aided Design (компьютерное проектирование), причем Computer-Aided зачастую приравнивалось Computer-Assisted и всегда понималось как “выполнение работ с помощью компьютера (ранее – ЭВМ), автоматизированное выполнение работ”. В настоящее время различают три основных подгруппы CAD: машиностроительные CAD (MCAD – Mechanical CAD), CAD печатных плат (ECAD – Electronic CAD / EDA – Electronic Design Automation) и архитектурно- строительные CAD(CAD/AEC – Architectural, Engineering and Construction). Наиболее развитыми являются MCAD-технологии и соответствующий сегмент рынка.

К 1971 году рынок MCAD-систем в основном сложился. Ведущими компаниями в то время были Computervision с пакетом CADDS (в 1998 году была приобретена компанией Parametric Technology Corporation, PTC), Unitied Computing (в 1976 году ставшая подразделением McDonell-Douglas Automation, а затем компанией UniGraphics Solutions, UGS), SDRC (Structural Dynamics Research Corp., в 2001 году приобретенная UGS, ныне, в свою очередь, ставшей Siemens PLM Software). В то время CAD-системы повторяли те подходы, что применял конструктор (зачастую просто чертежник) в своей традиционной деятельности – достаточно вспомнить популярное определение 2-D CAD-систем как “электронного кульмана”.

Среди событий 1970-х годов следует отметить покупку авиационной французской компанией Avion Marcel Dassault у американского авиастроителя Loсkheed компьютерной программы CADAM (Computer Augmented Drafting And Manufacturing) и последующий выход системы CATIA (Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application), последние версии которой в наши дни широко применяются на многих промышленных предприятиях. Отметим, что все эти события на CAD-рынке развивались параллельно с победоносным шествием “закона Мура”. Еще в 1965 году Гордон Мур (G. Moore, Chairman Emeritus of Intel Corp.), рисуя для очередного выступления график роста производительности микросхем, заметил поразительную закономерность: на каждом новом кристалле размещалось примерно вдвое больше транзисторов, чем на предшествующем, причем новые микросхемы появлялись примерно через равные промежутки времени – спустя полтора два года. Следствием “закона Мура” является то, что вплоть до последнего времени производительность процессоров каждые два года практически удваивалась, причем их цена оставалась приблизительно одной и той же.

Отметим, что за 30 лет, истекшие с момента появления микропроцессора Intel 4004 в 1971 году и вплоть до выпуска процессора Intel Itanium II в 2002 году, количество транзисторов выросло почти в 100 000 раз: с 2 250 до 220 миллионов транзисторов; затем наступила эра многоядерных процессоров, победоносное шествие которых мы сейчас и наблюдаем...

К 1980 году объем ранка MCAD-систем превысил 1 млрд. долл., т.е. за 10 лет он вырос более, чем в 40 раз (с 25 млн. долл.)! В 1980-х годах проявились новые тенденции, затронувшие рынок MCAD-систем:

  • появление в 1981 году первого персонального компьютера IBM PC и дальнейшее стремительное развитие персональных компьютеров в соответствии с “законом Мура”
  • переход от простейших двумерных (2-D) задач черчения к пространственному (3-D) моделированию на основе В-сплайнов Безье и сплайнов NURBS (Non-Uniform Rational Basis Spline), распараллеливание процессов разработки(концепция “параллельного проектирования”, ”concurrent engineering”, CE)

В 1982 году, вслед за началом применения персональных компьютеров, состоялся выход на MCAD-сцену компании Autodesk, которая уже в 1983 году выпустила первый серьезный CAD-пакет для IBM PC – AutoCAD – под очень привлекательным лозунгом, иллюстрирующим известный принцип Парето – принцип “80/20” – “20% цены предоставляют 80% функциональных возможностей мейнфреймовской программы”. Вскоре AutoCAD завоевал мир 2-D проектирования, став значительной вехой в развитии CAD-систем.

3-D задачи требовали более мощных компьютеров и на рынок MCAD- систем, наряду с известными IBM, HP, DEC, стремительно ворвались новые разработчики персональных рабочих станций, в первую очередь, Sun и Silicon Graphics.

В 1987 году компания Parametric Technology Corp. выпустила свой революционный пакет Pro/ENGINEER, на основе объединения простоты использования, дружественного пользователю интерфейса, ”твердотельной геометрии” и эффективной технологии параметрического моделирования. Pro/ ENGINEER позволил PTC практически полностью завоевать нарождающийся рынок 3-D MCAD-систем.

В начале 1990-х годов сформировались явные лидеры корпоративных MCAD-систем: альянс Dassault Systèmes / IBM, Unigraphics, SDRC, PTC – здесь уместно вспомнить тезис об “искусстве быть вторым”, который иллюстрирует многочисленные факты о том, почему “открыватели рынков” часто не становятся безусловными лидерами. Важно заметить, что в то время все лидеры предлагали CAD-решения на основе UNIX-систем.

В 1995 году блестящее воплощение принципа Парето “80/20” продемон стрировала начинающая компания SolidWorks, выпустив пакет SolidWorks-95 под лозунгом “80% функционала Pro/ENGINEER за 20% цены” и заложив основы массового применения 3-D подходов в машиностроении, вовлекая в этот процесс компании среднего и малого бизнеса. В 1997 году компания SolidWorks Corp. была приобретена Dassault Systèmes (DS)…, а в мае 2009 года DS SolidWorks Corp. уже продала миллионную лицензию…

Итогом широкого внедрения CAD-систем в различные сферы инженерной деятельности явилось то, что около 40 лет назад Национальный научный фонд (National Science Foundation, NSF) США назвал появление CAD-систем самым выдающимся событием с точки зрения повышения производительности труда со времен изобретения электричества.

В настоящее время для разработки разнообразной продукции промышленные предприятия широко используют следующие компьютерные технологии – программные средства автоматизации:

САD/САМ-системы ( Computer-Aided Design / Manufacturing), которые обеспечивают интегрированное решение задач конструкторского и техноло гического проектирования. Среди всего многообразия CAD/CAM-систем, наиболее широко представленных на рынке, выделим:
– “тяжелые системы” (“3-D high-end”), появившиеся в 1980-х годах и обладающие широкими функциональными возможностями и высокой производительностью: CATIA от Dassault Systèmes (которая в октябре 2009 года за 600 млн. долларов выкупила PLM-бизнес у IBM), NX (интеграция Unigraphics и SDRC-решения I-DEAS под эгидой Siemens PLM Software, разработка платформы High Definition PLM / HD-PLM, которая улучшает информационную поддержку, повышает эффективность и достоверность процесса принятия решений на всех этапах жизненного цикла изделия) и Creo Elements (ребрэндинг-интеграция в конце 2010 г. Pro/ENGINEER и CoCreate на основе общей модели данных и пользовательского интерфейса);
– “средние системы” (“3-D middle range”) – в первую очередь отметим SolidWorks, Solid Edge, Autodesk Inventor, КОМПАС и T-Flex, в которых при их возникновении в середине 1990-х годов были объединены возможности 3-D твердотельного моделирования, невысокая по сравнению с “тяжелыми” системами цена и ориентацию на платформу Windows.
– “легкие системы” (2-D системы), которые являются самыми распростра ненными продуктами автоматизации проектирования, среди множества которых, прежде всего, следует назвать AutoCAD.

CAE-системы (Computer-Aided Engineering, CAE) – системы автоматизации инженерных расчетов, самые передовые из которых представляют собой мультидисциплинарные надотраслевые CAE-системы. С помощью (в рамках) CAE-систем разрабатывают и применяют рациональные математические модели, обладающие высоким уровнем адекватности реальным объектам и реальным физико-механическим процессам, выполняют эффективное решение многомерных исследовательских и промышленных задач, описываемых нестационарными нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных в пространственных областях сложной формы; для эффективного решения этих задач применяются, как правило, разнообразные варианты современного и наиболее мощного и универсального численного метода – метода конечных элементов (МКЭ; Finite Element Analysis, FEA).

FEA (конечно-элементный анализ; КЭ анализ), в первую очередь, применим для эффективного решения задач механики деформируемого твердого тела, статики, колебаний, устойчивости, динамики и прочности машин, конструкций, приборов, аппаратуры, установок и сооружений, т.е. всего спектра продуктов и изделий, выпускаемых различными отраслями промышленности; с помощью различных вариантов МКЭ эффективно решают задачи механики конструкций, теплообмена, электромагнетизма и акустики, строительной механики, технологической механики (в первую очередь, назовем задачи пластической обработки металлов, задачи сварки и термообработки, литья металлов, литья пластмасс под давлением), задачи механики контактного взаимодействия и разрушения, задачи механики композитов и композитных структур.

В области компьютерного инжиниринга и виртуального моделирования проблем механики деформируемого твердого тела и механики конструкций, безусловными лидерами являются такие CAE-технологии – программные системы конечно-элементного анализа – как ANSYS, SIMULIA/Abaqus (разработчика этой CAE-системы – Abaqus, Inc. – в 2005 году купила Dassault Systèmes), MSC Software, Altair Engineering, ESI Group, LMS Int., LSDYNA и NX CAE (Siemens PLM Software).

Для решения задач механики жидкости и газа (Computational Fluid Dynamics, CFD), где основным методом решения задач механики жидкости и газа выступает метод конечных объемов, наиболее широкими возможностями обладают программные системы Fluent, STAR-CD (разработчик CD-adapco) и ANSYS CFX. В области CFD-анализа необходимо обратить внимание на приобретения ANSYS, Inc., которая в 2003 году купила CFX подразделение компании AEA Technology, выпускавшее CFD-систему CFX (в то время лидер в CFD-сегменте), а в 2006 году за 565 млн. долл. компанию Fluent, Inc. – разработчика CFD-системы – Fluent. Эти приобретения позволили ANSYS Inc. по итогам 2006 года впервые в CAE-истории захватывающего противоборства с MSC Software выйти на первое место по финансовым показателям, а в последующие годы значительно упрочить свое лидерство.

Отметим, что часто FEA, CFD и MBD (Multi Body Dynamics) считают взаимодополняющими компонентами компьютерного инжиниринга (CAE), а соответствующими терминами уточняют специализацию, например, MCAE(Mechanical CAE), ECAE (Electrical CAE), AEC и т.д.

соцсети