隨著科學技術的（de）不斷進步和社會的高速發展，產品更新換（huàn）代越來越快。無論是工業產品還是家電產品，大多數應用模具成型。因此，產品對模（mó）具的精度要求越來越高、越來越普及。由於模具是典型的技術密集型（xíng）產（chǎn）品，為了表達（dá）清楚設計意圖，設計人員必須花費大量的時間來繪製模架、頂杆、滑塊等結構相對固定（dìng）的零部件。目前，CAD/CAE的發展，為（wéi）廣（guǎng）大模具設計人員提供（gòng）了方便。特別是近幾年來，模具CAD/CAE技術（shù）發展很快（kuài），應用（yòng）範圍日益擴大，並取得了可觀的（de）經濟效益。
1 模具CAD/CAE的基本概念
CAD：（Computer Aided Design）是利用計算機硬、軟件係統輔助人們對產品或（huò）工程進行總體設計、繪圖、工（gōng）程分析與技術文檔等設計活（huó）動的總稱，是一（yī）項綜合性技術。
CAE：(Computer Aided Engineering)即計算機輔助工程技術，是（shì）以現代計算力學為基礎（chǔ），以計算機仿（fǎng）真為手段的工程分析技術，是實現（xiàn）模具優化的主（zhǔ）要支持模塊。對於模具CAE來講，目前局限於數值模擬方法，對未來模具的工作狀態和（hé）運行行為進行模擬，及早發現（xiàn）設計缺陷。
2 CAD/CAE技（jì）術的發展過（guò）程
2.1 CAD技術（shù）的發展過程（chéng）
（1）20世紀50年代後期至70年代初期，此階段為初級階段——線框造型（xíng）技術。
（2）20世（shì）紀70年代初期至80年代初，此階段是第一次CAD技術革命——曲麵（表麵）造型技術。
（3）20世紀80年代初期至80年代中期，此階段是第二次CAD技術革（gé）命——實體造型階（jiē）段。
（4）20世紀80年代中期至（zhì）90年代初期，此階段是第三次CAD技術革命——參數（shù）化技術。
參數（shù）化設計是用幾何約束、工程方程與關係來定義產品模型的形（xíng）狀（zhuàng）特征，也就是對零件上的各種特征施加各種約束形式，從而達到設（shè）計一組在形狀或功能上具有相似（sì）性的設計方案。目前能處理的幾何約束類型基本上是組成產品形（xíng）體的幾何實體公稱尺寸關係和尺寸之間的工程（chéng）關係，故參數化技術（shù）又（yòu）稱為（wéi）尺寸驅（qū）動幾何技術。
（5）20世紀90年代（dài）初期至今，此階段是第四次CAD技術革命——變量化技術。
變量化設計（Variational Design）是通過求解一組約束方程組，來確定產品的尺寸和（hé）形（xíng）狀。約束方程組可以是幾何關係，也可以是工程計算條件。約束結果的修改（gǎi）受到（dào）約束方程驅動（dòng）。變量化技術既保持了參數化原有的優點（diǎn）（如基於特征、全尺寸約束、全數（shù）據相關、尺寸驅動（dòng）設計修改等），同時又克服了它的許多不利之處（如解決實體（tǐ）曲麵問題等）。應用變量化技術具有（yǒu）代表性的軟件是SDRC/I-DEAS。
2.2 CAE技術（shù）的發展過程
（1）在20世紀60～70年代處於探索階段（duàn），有限元技術主要針對結構分析問題進行發展，以解決航空航天技術發展過程中遇到的（de）結構強度（dù）、剛度以及模擬實驗和分析。
（2）20世紀（jì）70～80年代是（shì）CAE技術蓬（péng）勃發展時期，出現了大量的（de）機械軟件，軟機的開發主要集中在計算精度、硬件及速（sù）度（dù）平台的匹配、計算（suàn）機內存的有效利用以及磁盤空間利用上，而且有限元分（fèn）析技術（shù）在結構和場分析領（lǐng）域獲得了很大（dà）的成功。
（3）20世紀90年（nián）代CAE技術逐漸成（chéng）熟壯大，軟件的發展向各CAD軟（ruǎn）件的專用接口和增強軟件的前後置處理（lǐ）能力方向發（fā）展。
目前，CAE軟件係統的一個特點是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成零件或裝配部件的造型設計後（hòu），自（zì）動生成有限元網格並進（jìn）行計算或進行結構（gòu）動力（lì）學、運動學等方（fāng）麵的計算，如果分析計算的結果不符合設計要求則重新修改造型和計算，直到滿足要求為止，極大地提（tí）高（gāo）了設計水（shuǐ）平和效率。
3 CAD/CAE技術在模具設計中的應用
傳統的模具設計是（shì）經（jīng）過概念設計—分析—樣品生（shēng）產—分析—設計—分（fèn）析（xī）—生產——這（zhè）樣繁雜的（de）過程後才最終確定（dìng）那（nà）些複雜（zá）的模具原形。隨著計算機的發展，CAD/CAE技術逐漸（jiàn）取代了傳統的（de）模具設計理念和設計方法，這種技術使得模具在進行真（zhēn）是的生產（包括樣品生產）之前就已經通（tōng）過了計算機應用（yòng）軟件進行了精（jīng）確的結構設計、結構分析以及（jí）成形仿真過程。
3.1 CAD/CAE技術和模具結構設計（jì）
模具機構設計應用相應（yīng）的CAD軟件，根據要實現的功能、外觀和結構要求，先設計草圖，然後生成相應的實（shí）體，接著子裝配和總體裝配，仿真模具開模過程，檢查幹涉情況，並進行真實渲染。整（zhěng）個過程也可以從上到下進行（háng）修改，每個過程（chéng）的參數都可以改（gǎi）變，並可以設定（dìng）參數間的關聯性。
（1）草圖重建技術
草圖設計是整個模具（jù）設計的（de）基礎。現在的草圖重建技術已經發展的非常成熟，這種技術（shù）是模具設計人員用二維和三維設計草圖進行三維建模的關鍵技術。這種技術能夠對草圖的各個尺寸和相關的約束進行（háng）修改和重建（jiàn）。目前草圖重建技術已經比較成熟，一些大（dà）型的CAD/CAE軟件係統如Pro/Engineer、UG等都提供草圖設計模塊。
（2）曲麵特征設計（jì）
隨著人們對產品質量和美觀性要求的不斷提高，又由於（yú）曲麵特征具有的諸多有點，在產品外形設計重，曲麵特征設計成為（wéi）模具設（shè）計的一個重要部分。目前CAD業界湧現（xiàn）出（chū）一批像EDS的（de）UG、PTC的Pro/Engineer等（děng）等一係列的（de）優秀（xiù）的CAD軟件，它們的三（sān）維實體建模、參數建模及複合建模技術，實體與曲麵相結合的（de）造（zào）型方法，以及自（zì）由形式特征技術為模具設計提（tí）供了強有力的工具。
（3）變量裝（zhuāng）配設計技（jì）術
裝配設計建（jiàn）模的方法主要（yào）有自底（dǐ）向上、概念設計、自頂向下等三種（zhǒng）方法。自底向上方法是先設（shè）計出詳細零件，再拚裝產品。而自頂向下是先有產品的（de）整個外形和功能設想，再在整個外形裏一級（jí）一級的劃（huá）分出產（chǎn）品的部件、子部件，一直到底層粗糙的零件（jiàn）。在模具中，由於有些模具的結構（gòu）非常的複雜，在模（mó）具設計（jì）時隻有采用自頂（dǐng）向下的設（shè）計方法（fǎ），變量（liàng）裝配設計（jì）才支持自頂向下的設計。
變量裝配設計（jì）把概念設計產生的設計變量（liàng）和設計變量約束（shù）進行（háng）記錄（lù）、表達、傳播和解決衝突，以滿足設計要求，使各階段設計（主要是零件設計）在產品功能和設計意圖的基礎上進（jìn）行，所有的工作都是在產品功能約束下進行（háng）和完成。變量裝配技術也是實現動態裝配設計的（de）關鍵技術，所謂動態裝配設（shè）計是（shì）指在（zài）設計變量、設計變量約束、裝配約束驅動下的一（yī）種可變的裝配設計。
（4）真實感技術
真實感技術是應用CAD軟件本身（shēn）具有的渲染技術，賦予已經設（shè）計（jì）出（chū）來的模型諸如顏色（sè）和材質屬性，在不同外部條件（如光線）下觀察模型的外觀是否達到原先（xiān）所設想的美觀性要求。如AUTOCAD的“渲染”模塊（kuài）和UG重的“VISUALIZATICN”子（zǐ）命令等
3.2 CAD/CAE技術和模具結構分析
模具設計已經不僅僅停留在對外（wài）觀和結構的（de）設計上，它已經擴（kuò）展到對模具結構分析的領域。對已經設計出（chū）的模具，運用CAE軟（ruǎn）件（jiàn）（尤其是有限元（yuán）軟件）對其進行強度、剛度、抗衝擊試（shì）驗模擬（nǐ）、跌落試驗模擬、散熱能力、疲勞（láo）和蠕變等分析（xī）。通過分析檢驗前（qián）麵的模具結構設計是否合理，分析出結（jié）構不合理的原因和位置（zhì），然後在CAD軟件中進行相應的修改，接著再在CAE軟件（jiàn）中進行（háng）各種性（xìng）能檢測（cè），最終確定（dìng）滿足要求的模具結構。
基於有限元分析軟件的應用，關鍵是網格的劃分、模擬計算方法和成形接觸處理等。此（cǐ）外，提供給軟件進行CAE分（fèn）析的數據也尤為重要，生產條件、設備（bèi）性能、產品要求（qiú）、材料特性等都將給模具的CAE分析的準確性帶來影響。
（1）強度和剛度分析
強度和（hé）剛度是模（mó）具設計中最重要的（de）一項性能要求。運（yùn）用CAE技術，通過對模具施加約（yuē）束和載荷等外部條件來模擬模具的真實應用情況，分析模具的強度和剛度是否達到規定要求。模具CAE技術（shù）經過短暫的時間已經用（yòng）在注塑模、壓鑄模、鍛模、擠壓模、衝壓模等模具的優化，並在實際中指（zhǐ）導（dǎo）生產。在工程實際中，一（yī）般（bān）應（yīng）用ANSYS、ALGOR、DEFORM等進行分析計算。
（2）抗衝擊試驗模（mó）擬
CAE技（jì）術能夠用於（yú）分析隨時間變（biàn）化的（de）載（zǎi）荷如交變載荷、爆炸與衝（chōng）擊載荷、隨機載荷和其（qí）它瞬態力等對結構的影響。如CAE技術對瞬態分析、模（mó）態分析、諧波響應分（fèn）析、響應譜分析和隨機振動進行分析，為分析產品在特殊（shū）與惡（è）劣的（de）環境和工作（zuò）條件下的物理響應、可靠性與耐用性等提（tí）供了完整的評估與解決（jué）方案。
（3）跌落試驗模擬
CAE技術也可以用於分析（xī）結構（gòu）由（yóu）於碰撞（zhuàng）或跌落產（chǎn）生的力、變形、應力（lì）、位移、振動響應、產品的結構強度、聯接設（shè）計，剛度性質、抗衝擊性能、防爆性能及整個係統工作穩定性和完整性做出（chū）定量評估。
（4）散熱能力分析
現（xiàn）在的CAE技術（shù）可以模擬模具中的溫度分布，通（tōng）過模擬大功率電子元件產生的能量以及（jí）通過傳導、對流和輻射散發出的熱量來確定模（mó）具（jù）的熱分布，然後再對各種材（cái）質模具的散熱能力進行初步分析。
（5）疲勞和蠕（rú）變分析
在模具設計中（zhōng），對於那（nà）些（xiē）可能在集中載荷、循環載荷和常值位移（yí）作用下的模具，或處（chù）於（yú）低溫或者高（gāo）溫（wēn）條件工作的模具產品，進行初步的疲勞分析和蠕變分析是非常必要（yào）的，這種分析不需要考慮外部的每一個條件，但是這種分（fèn）析的（de）結果具有很大的參（cān）考價值，如果出現不合理的情況，就可以重新進行設計，避免後麵不（bú）必要的設計和分析。例如：ANSYS專用的疲勞分析軟件模塊FE-SAFE就可以實現（xiàn）各種材料模式下進行高低溫環境和長期載荷作用下的變（biàn）形和失效問題的研究。
3.3 CAD/CAE技術和模具成形仿真
模（mó）具成形是一個（gè）非常（cháng）複雜的過程，有非常多的影響因素，因（yīn）此對於複雜結構的模具就需要進行成（chéng）形仿真，檢驗前麵所設計的（de）模具在成形時的強度和剛度是否（fǒu）達到要求，隻有滿足了成形要求，初步（bù）設（shè）計工作才最終完成。
（1）冷衝壓成形（xíng）
冷衝壓模具主要用於金屬和（hé）非金屬材料的冷態成形（xíng）。通過仿真，CAE技術可以檢（jiǎn）測成形過程中模具（jù）材料的強度水平是否（fǒu）達到（dào）要求，熱處理是否（fǒu）發揮了模具的強韌性等。
（2）熱作（zuò）成（chéng）形
熱作模具用於高溫條件下的金屬（shǔ）或非金屬成（chéng）形，模具（jù）是在高溫下承受交變應力和衝擊力，工作成形溫（wēn）度往往較高，對於金（jīn）屬模具還要經受高溫氧化及燒損，在強烈的水冷條（tiáo）件下經受冷熱變化引起的熱衝（chōng）擊作用。熱作模具作（zuò）為熱（rè）加工的成形工具，被廣泛的應用（yòng）於（yú）各類（lèi）壓鑄模、擠壓模、注塑模、熱壓模和鍛模中。
4 CAD/CAE技術在模具設計中（zhōng）的發展方向
模具CAD/CAE技術在傳統的應用基礎上還要不斷的適應新（xīn）的環境和新的挑戰，尋求新的發展。
（1）逐步提高（gāo）CAD/CAE係統（tǒng）的智能化程（chéng）度。人工智能是計（jì）算機的幾大功能之一，將人工智能引入CAD/CAE係統，使其具有專（zhuān）家的經（jīng）驗和知識，具有學習、推理（lǐ）、聯想和判斷的能力，從而達到設計自動化的目的。目（mù）前提高（gāo）智能化程度（dù）的路（lù）徑有兩條：一是（shì）繼續研究專家係統技術的應用；二是開展KBE（基於知識工程）技術（shù）的研究，主要是（shì）開（kāi）發基於（yú）KBE的專用工具，如UGII中的KF（Knowledge Fusion）。
（2）研究模具的運動仿真（zhēn）技術，即（jí）衝模的衝壓過程與注射模的運動仿真。因為衝模與注射模的結（jié）構複雜（zá），在衝壓與注射過程中，一些模具零件的運動難免產（chǎn）生幹涉現象，特別是級進模還可能存在條料運（yùn）動與模具運動的幹涉，而在設計中這（zhè）些現象難以發現，故隻有采用仿真技術在計算機上顯示其運動狀態，即時改正錯誤的（de）設（shè）計，以避免生產中出現問題。
（3）協同（tóng）創新設計（jì）將成為（wéi）模具設計的主要（yào）方向，製造業垂直整合的（de）模式使得世界範圍內的產品銷售、產（chǎn）品設計、產品生產和（hé）模具製造分工更明確（què）。模（mó）具企（qǐ）業間通過Internet網絡（luò）進行異地協（xié）同設計（jì）和（hé）製造。根據企業自身的信息化程度和企業間合作的層（céng）次不同，采用的技術手（shǒu）段和方案有很大不同（tóng）。
（4）模具CAD技（jì）術應用的ASP模式（shì），將（jiāng）成為發展方（fāng）向。由於當今模具行業已經成為高新技術最密集的行業，任何企業都不可能擁有全部最新出現的技術，因此將出現CAD技術應用的ASP模式，即產生各種專（zhuān）門技術的應用服（fú）務單位（wèi），為模具行（háng）業的各個企業提供技術服（fú）務，應用服務包括逆向設（shè）計、快速原型製造、數控加工外包、模具設計、模具成型過程分析（xī）等諸多方麵（miàn）。
（5）基於網絡的模具CAD/CAE集成化係統將深入發展。現（xiàn）代CAD/CAE係統已（yǐ）經實現了從單機到局域網的轉變，目前正在與企業的Intranet整合。在企（qǐ）業行為國際（jì）化的大潮下，在Intranet的大環境下建立CAD/CAE係統不久將成為現實。
模具CAD/CAE係統的高智能化程度也會大大提高。在智能化軟件（jiàn）的支持下，而今的模具CAD/CAE技術不再是對傳（chuán）統設計與計算方法的模仿，而是再（zài）先進設（shè）計理論的指導下，充分運用本領域專家（jiā）的豐富隻是和成功經驗，其設計結果必然具有合理（lǐ）性和先進性。
5 結論
隨著科技的不（bú）斷進步，製造業正向數字化、全（quán）球化、網（wǎng）絡化的方向發展，產品的生命周期越來越短，新產品（pǐn）的上市速度越來越快。模具是製造業的（de）基本（běn）工藝設備，模具設計的、製造的效率對產品的開發效率有決（jué）定性影（yǐng）響。因此在模具設計的過程中，利用先進（jìn）的CAD/CAE技術進行模具設計省事（shì）、省力，而且最為重要的是保證了成型（xíng）後製（zhì）品的準確性，減少了試模的次數，縮短（duǎn）了模具的設計及生產的周期。
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