編者語：在計算機輔助4C係統中，有一個“C”至關重要，但又很難被領會並掌握，它就是CAE(計算機輔助工程軟件)。這個被稱為“隻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，並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係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(shi)紀(ji)初(chu)已(yi)基(ji)本(ben)完(wan)備(bei)
，後(hou)來(lai)的(de)力(li)學(xue)家(jia)大(da)多(duo)致(zhi)力(li)於(yu)尋(xun)求(qiu)各(ge)種(zhong)具(ju)體(ti)問(wen)題(ti)的(de)解(jie)。但(dan)由(you)於(yu)許(xu)多(duo)力(li)學(xue)問(wen)題(ti)相(xiang)當(dang)複(fu)雜(za)，很(hen)難(nan)獲(huo)得(de)解(jie)析(xi)解(jie)
，用(yong)數(shu)值(zhi)方(fang)法(fa)求(qiu)解(jie)也(ye)遇(yu)到(dao)計(ji)算(suan)工(gong)作(zuo)量(liang)過(guo)於(yu)龐(pang)大(da)的(de)困(kun)難(nan)。通(tong)常(chang)隻(zhi)能(neng)通(tong)過(guo)各(ge)種(zhong)假(jia)設(she)把(ba)問(wen)題(ti)簡(jian)化(hua)到(dao)可(ke)以(yi)處(chu)理(li)的(de)程(cheng)度(du)，以(yi)得(de)到(dao)某(mou)種(zhong)近(jin)似(si)的(de)解(jie)答(da)
，或(huo)是(shi)借(jie)助(zhu)於(yu)試(shi)驗(yan)手(shou)段(duan)來(lai)謀(mou)求(qiu)問(wen)題(ti)的(de)解(jie)決(jue)。
   第二次世界大戰後不久，第一台應用電子計算機在美國出現

，並在以後的20年裏得到了迅速的發展
，到20世紀60年(nian)代(dai)出(chu)現(xian)了(le)大(da)型(xing)通(tong)用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)子(zi)計(ji)算(suan)機(ji)。這(zhe)種(zhong)強(qiang)大(da)的(de)計(ji)算(suan)工(gong)具(ju)的(de)出(chu)現(xian)使(shi)複(fu)雜(za)的(de)數(shu)字(zi)運(yun)算(suan)不(bu)再(zai)成(cheng)為(wei)障(zhang)礙(ai)
，為(wei)計(ji)算(suan)力(li)學(xue)的(de)形(xing)成(cheng)奠(dian)定(ding)了(le)物(wu)質(zhi)基(ji)礎(chu)。計(ji)算(suan)力(li)學(xue)就(jiu)是(shi)根(gen)據(ju)力(li)學(xue)中(zhong)的(de)理(li)論(lun)
，利(li)用(yong)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)計(ji)算(suan)機(ji)和(he)各(ge)種(zhong)數(shu)值(zhi)方(fang)法(fa)，解(jie)決(jue)力(li)學(xue)中(zhong)的(de)實(shi)際(ji)問(wen)題(ti)的(de)一(yi)門(men)新(xin)興(xing)學(xue)科(ke)。它(ta)橫(heng)貫(guan)力(li)學(xue)的(de)各(ge)個(ge)分(fen)支(zhi)，不(bu)斷(duan)擴(kuo)大(da)各(ge)個(ge)領(ling)域(yu)中(zhong)力(li)學(xue)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)
，同(tong)時(shi)也(ye)在(zai)逐(zhu)漸(jian)發(fa)展(zhan)自(zi)己(ji)的(de)理(li)論(lun)和(he)方(fang)法(fa)。
   “以航空航天器、汽車、高gao層ceng建jian築zhu等deng為wei代dai表biao的de現xian代dai工gong業ye產chan品pin和he大da型xing土tu木mu工gong程cheng的de大da量liang問wen世shi，是shi計ji算suan力li學xue技ji術shu發fa展zhan的de助zhu推tui器qi和he主zhu要yao應ying用yong領ling域yu
，正zheng是shi因yin為wei工gong業ye和he工gong程cheng領ling域yu永yong無wu止zhi境jing的de需xu求qiu
，才cai使shi得deCAE技術的發展從學術領域迅速進入工程應用領域並在上世紀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
，而且為製造
、銷售、後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後處理器、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係。這一體係在幫助製造業企業提升創新能力、提高研發效率和降低研發成本方麵發揮了重要的作用。”Altair市場及合作夥伴總監葉洎沅告訴《中國電子報》記者。
   據介紹，在CAE技術問世之初，其隻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並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後來得到成功商業化的代表性技術並得以在其他製造業中廣泛應用。
   在CAE技ji術shu問wen世shi之zhi初chu，由you於yu受shou計ji算suan機ji硬ying件jian條tiao件jian和he高gao價jia格ge的de限xian製zhi，其qi隻zhi能neng用yong於yu求qiu解jie極ji小xiao規gui模mo的de問wen題ti

，例li如ru波bo音yin和he通tong用yong汽qi車che不bu得de不bu將jiang其qi產chan品pin的de整zheng體ti結jie構gou簡jian化hua為wei板ban梁liang結jie構gou來lai進jin行xing非fei常chang粗cu略lve的de剛gang度du計ji算suan。直zhi到dao上shang世shi紀ji90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
，專業的前後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建模和仿真的複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麼8個字來概括：“三強主導，百花齊放。”通過一係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公司於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後，公司實力得到進一步提升。
   對於“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”源於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廠商采用並購(如達索並購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三個方麵。每個方麵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、應用麵大的優點，缺點則是麵向某些特定應用時不是那麼方便簡潔
；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(ba)一(yi)個(ge)連(lian)續(xu)體(ti)近(jin)似(si)地(di)用(yong)有(you)限(xian)個(ge)在(zai)節(jie)點(dian)處(chu)相(xiang)連(lian)接(jie)的(de)單(dan)元(yuan)組(zu)成(cheng)的(de)組(zu)合(he)體(ti)來(lai)代(dai)替(ti)
，從(cong)而(er)把(ba)連(lian)續(xu)體(ti)的(de)分(fen)析(xi)轉(zhuan)化(hua)為(wei)單(dan)元(yuan)分(fen)析(xi)加(jia)上(shang)對(dui)這(zhe)些(xie)單(dan)元(yuan)組(zu)合(he)的(de)分(fen)析(xi)問(wen)題(ti)。有(you)限(xian)元(yuan)法(fa)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)結(jie)合(he)，產(chan)生(sheng)了(le)巨(ju)大(da)的(de)威(wei)力(li)，應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)很(hen)快(kuai)從(cong)簡(jian)單(dan)的(de)杆(gan)
、banjiegoutuiguangdaofuzadekongjianzuhejiegou，shiguoqubukenengjinxingdeyixiedaxingfuzajiegoudejinglifenxibianchenglechangguidejisuan，gutilixuezhongdedongliwentihegezhongfeixianxingwentiyeyoulegezhongxiangyingdejiejuetujing

，bingxingchengleyimenxinxingdexueke——— “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shi紀ji中zhong葉ye采cai用yong連lian續xu介jie質zhi的de概gai念nian把ba靜jing流liu體ti中zhong壓ya力li的de概gai念nian推tui廣guang到dao運yun動dong流liu體ti中zhong，建jian立li了le歐ou拉la方fang程cheng從cong而er正zheng確que地di用yong微wei分fen方fang程cheng組zu描miao述shu了le無wu粘zhan流liu體ti的de運yun動dong。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-Sfangchengzainianduweilingshideteli。zhexieliutilixuedejibenfangchengzufeichangfuza，zaikaolvnianxingzuoyongshigengshiruci
，ruguobukaojisuanji，jiuzhinengduibijiaojiandandeqingxinghuojianhuahoudeoulafangchenghuoN-S方程進行計算。直到上個世紀60年代，與用於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
，並形成了“計算流體力學(CFD)”這一新興學科。其後陸續出現了有限體積法、用於流體計算的有限元法、分步雜交法
、格林函數法、基於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係的庫侖定律以來
，經過奧斯特
、安培
、法拉第等人的發展，到1873年麥克斯韋在係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”並預言電磁波的存在(1887年被赫茲通過實驗證實)，從(cong)而(er)建(jian)立(li)起(qi)完(wan)整(zheng)的(de)電(dian)磁(ci)場(chang)理(li)論(lun)體(ti)係(xi)。使(shi)用(yong)經(jing)典(dian)解(jie)析(xi)方(fang)法(fa)求(qiu)解(jie)麥(mai)克(ke)斯(si)韋(wei)微(wei)分(fen)或(huo)積(ji)分(fen)方(fang)程(cheng)組(zu)僅(jin)能(neng)處(chu)理(li)為(wei)數(shu)不(bu)多(duo)的(de)簡(jian)單(dan)典(dian)型(xing)問(wen)題(ti)
，以(yi)上(shang)個(ge)世(shi)紀(ji)60年nian代dai大da型xing通tong用yong數shu字zi電dian子zi計ji算suan機ji的de出chu現xian為wei基ji石shi，以yi實shi際ji工gong程cheng和he理li論lun上shang需xu要yao解jie決jue的de大da量liang複fu雜za電dian磁ci問wen題ti為wei有you效xiao需xu求qiu
，計ji算suan電dian磁ci學xue由you此ci而er發fa展zhan並bing完wan善shan起qi來lai。現xian有you的de電dian磁ci場chang數shu值zhi計ji算suan方fang法fa主zhu要yao包bao括kuo求qiu解jie微wei分fen方fang程cheng的de有you限xian元yuan法fa(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。