編者語：在計算機輔助4C系統中，有一個“C”至關重要，但又很難被領會并掌握，它就是CAE(計算機輔助工程軟件)。這個被稱為“只有博士才能用好的軟件”如今已成為船舶、航空航天、汽車、機械、土木結構等行業的研發領域必備軟件，并且已由輔助的驗證工具，轉變為驅動產品創新的引擎。

   作為CAx系列軟件中至關重要的一環，CAE的應用逐漸得到擴大。其在加速產品創新中的作用也進一步彰顯，逐漸由輔助的驗證工具，轉變為驅動產品創新的引擎。

   三大因素驅動應用

   “CAE技術是近代力學理論、計算機計算技術、現代工業推動三者相結合的產物。”安世亞太CAE產品業務部總經理雷先華在接受《中國電子報》記者采訪時表示。據介紹，近代力學的基本理論和基本方程在19世紀末20世紀初已基本完備，后來的力學家大多致力于尋求各種具體問題的解。但由于許多力學問題相當復雜，很難獲得解析解，用數值方法求解也遇到計算工作量過于龐大的困難。通常只能通過各種假設把問題簡化到可以處理的程度，以得到某種近似的解答，或是借助于試驗手段來謀求問題的解決。
   第二次世界大戰后不久，第一臺應用電子計算機在美國出現，并在以后的20年里得到了迅速的發展，到20世紀60年代出現了大型通用數字電子計算機。這種強大的計算工具的出現使復雜的數字運算不再成為障礙，為計算力學的形成奠定了物質基礎。計算力學就是根據力學中的理論，利用現代電子計算機和各種數值方法，解決力學中的實際問題的一門新興學科。它橫貫力學的各個分支，不斷擴大各個領域中力學的研究和應用范圍，同時也在逐漸發展自己的理論和方法。
   “以航空航天器、汽車、高層建筑等為代表的現代工業產品和大型土木工程的大量問世，是計算力學技術發展的助推器和主要應用領域，正是因為工業和工程領域永無止境的需求，才使得CAE技術的發展從學術領域迅速進入工程應用領域并在上世紀70年代初開始了商業化發展進程。”雷先華如是說。

   加速產品創新

   每一種產品從概念(初步)設計、技術設計、詳細設計直到投產，都有一個生命周期。利用CAE這種仿真分析軟件就能在設計早期，在機床、工裝、原材料等重大項目的投入之前，保證設計的正確性，避免物理樣機的浪費和失誤，而且為制造、銷售、后期支持服務等階段提供良好的保證。“如今，整個CAE應用已經發展成為產品生命周期中的一個重要組成部分，CAE產品也由傳統的求解器發展成為一整套由前后處理器、優化工具、求解器、作業管理、流程管理和數據管理組成的完整體系。這一體系在幫助制造業企業提升創新能力、提高研發效率和降低研發成本方面發揮了重要的作用。”Altair市場及合作伙伴總監葉洎沅告訴《中國電子報》記者。
   據介紹，在CAE技術問世之初，其只是作為物理試驗的替代技術出現，企業使用CAE的主要目的是為了降低試驗成本或者用虛擬方式取代現實條件下無法進行的試驗。在上世紀70年代，NASA（美國國家航空航天局）成功完成阿波羅登月計劃，從而在創新領域獲得了當時無可比擬的市場聲譽并獲得了大量的政府投資。這些資金幫助NASA開始自主研發或與其他企業或學校合作研發許多新興技術來輔助其新型火箭和航天器的設計。在這些技術中、CAE技術和網格計算技術都是其中后來得到成功商業化的代表性技術并得以在其他制造業中廣泛應用。
   在CAE技術問世之初，由于受計算機硬件條件和高價格的限制，其只能用于求解極小規模的問題，例如波音和通用汽車不得不將其產品的整體結構簡化為板梁結構來進行非常粗略的剛度計算。直到上世紀90年代中期，隨著硬件性能的大幅提升和硬件成本的下降，CAE技術才得以被廣泛普及，專業的前后處理器和新一代具備優化功能的求解器也得以大規模使用，原因是企業對CAE建模和仿真的復雜度都有了更高的要求，由此也帶來了眾多的衍生產品。

   三強主導 百花齊放

   目前CAE市場格局的狀況可以用這么8個字來概括：“三強主導，百花齊放。”通過一系列的采訪記者了解到，三大軟件企業領跑通用CAE(MCAE)市場。這三大企業分別為：ANSYS公司、MSC公司以及ABAQUS公司，其中ABAQUS公司于2005年被PLM領域著名企業達索公司以總價約 4.13億美元現金購入囊中。而ANSYS公司在最近幾年陸續花巨資收購了CFD(計算流體力學)領域的最大兩個產品FLUENT和CFX，以及CEM(計算電磁學)領域最大的產品ANSOFT后，公司實力得到進一步提升。
   對于“百花齊放”，安世亞太CAE產品業務部總經理雷先華告訴記者，“百花齊放”源于CAE的細分領域太多，滿足特定行業、特定專業、特定領域的CAE軟件層出不窮。“蓬勃發展”體現在CAE越來越成為PLM領域的核心技術，正因為CAE能為研發提供創新、質量、效益等諸多益處，導致CAE市場一直呈高速增長的勢頭，也導致越來越多的CAD/PLM廠商采用并購(如達索并購ABAQUS)、加大研發投入等方式進入CAE市場，加劇競爭態勢。
   據介紹，CAE核心技術主要在MCAE、CFD、CEM三個方面。每個方面都有相應的軟件產品。“總體來說，這些CAE軟件可分為通用和專用兩大類別。通用軟件具有適應性廣、功能齊全、應用面大的優點，缺點則是面向某些特定應用時不是那么方便簡潔；專用軟件具有針對性強、方便易用、重點突出的優點，缺點則是難以擴展應用。”雷先華說。[page_break]

  相關鏈接

   CAE技術的三大分支

   計算結構力學

   有限元理論(FEA)及其計算機程序實現可視為CAE技術發展的開端。有限元法的物理實質是：把一個連續體近似地用有限個在節點處相連接的單元組成的組合體來代替，從而把連續體的分析轉化為單元分析加上對這些單元組合的分析問題。有限元法和計算機的結合，產生了巨大的威力，應用范圍很快從簡單的桿、板結構推廣到復雜的空間組合結構，使過去不可能進行的一些大型復雜結構的靜力分析變成了常規的計算，固體力學中的動力問題和各種非線性問題也有了各種相應的解決途徑，并形成了一門新興的學科——— “計算結構力學”，通常也稱為MCAE技術。這是CAE第一個分支領域，即結構分析。

   計算流體力學

   CAE技術第二個大的分支領域是流體分析，即計算流體力學(CFD)。歐拉在18世紀中葉采用連續介質的概念把靜流體中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程從而正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動。1845年斯托克斯推導出粘性流體的一組基本運動方程，這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，它是流體力學的理論基礎，歐拉方程正是N-S方程在黏度為零時的特例。這些流體力學的基本方程組非常復雜，在考慮黏性作用時更是如此，如果不靠計算機，就只能對比較簡單的情形或簡化后的歐拉方程或N-S方程進行計算。直到上個世紀60年代，與用于結構力學計算的有限元方法差不多同時發展起來的有限差分法在流體力學計算領域開始得到廣泛利用，并形成了“計算流體力學(CFD)”這一新興學科。其后陸續出現了有限體積法、用于流體計算的有限元法、分步雜交法、格林函數法、基于有限元的有限體積法、邊界元法等等多種多樣的計算流體力學數值解法。

   計算電磁學

   CAE技術第三個大的分支領域是計算電磁學(CEM)。自1785年庫侖創建了描述兩個微小帶電體之間作用力與其電量及間距的關系的庫侖定律以來，經過奧斯特、安培、法拉第等人的發展，到1873年麥克斯韋在系統地總結了前人電磁學理論的基礎上，提出了渦旋電場和位移電流假說，創建了著名的“麥克斯韋方程組”并預言電磁波的存在(1887年被赫茲通過實驗證實)，從而建立起完整的電磁場理論體系。使用經典解析方法求解麥克斯韋微分或積分方程組僅能處理為數不多的簡單典型問題，以上個世紀60年代大型通用數字電子計算機的出現為基石，以實際工程和理論上需要解決的大量復雜電磁問題為有效需求，計算電磁學由此而發展并完善起來。現有的電磁場數值計算方法主要包括求解微分方程的有限元法(FEM)和時域有限差分(FDTD)等，求解積分方程的有矩量法(MoM)和物理光學法(PO)等。