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   編者語：在計算機(jī)輔助4C系統(tǒng)中，有一個“C”至關(guān)重要，但又很難被領(lǐng)會并掌握，它就是CAE(計算機(jī)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(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等行業(yè)的研發(fā)領(lǐng)域必備軟件，并且已由輔助的驗證工具，轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動產(chǎn)品創(chuàng)新的引擎。

   作為CAx系列軟件中至關(guān)重要的一環(huán)，CAE的應(yīng)用逐漸得到擴(kuò)大。其在加速產(chǎn)品創(chuàng)新中的作用也進(jìn)一步彰顯，逐漸由輔助的驗證工具，轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動產(chǎn)品創(chuàng)新的引擎。

   三大因素驅(qū)動應(yīng)用

   “CAE技術(shù)是近代力學(xué)理論、計算機(jī)計算技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)推動三者相結(jié)合的產(chǎn)物?！卑彩纴喬獵AE產(chǎn)品業(yè)務(wù)部總經(jīng)理雷先華在接受《中國電子報》記者采訪時表示。據(jù)介紹，近代力學(xué)的基本理論和基本方程在19世紀(jì)末20世紀(jì)初已基本完備，后來的力學(xué)家大多致力于尋求各種具體問題的解。但由于許多力學(xué)問題相當(dāng)復(fù)雜，很難獲得解析解，用數(shù)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(shè)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(zhàn)后不久，第一臺應(yīng)用電子計算機(jī)在美國出現(xiàn)，并在以后的20年里得到了迅速的發(fā)展，到20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了大型通用數(shù)字電子計算機(jī)。這種強(qiáng)大的計算工具的出現(xiàn)使復(fù)雜的數(shù)字運算不再成為障礙，為計算力學(xué)的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。計算力學(xué)就是根據(jù)力學(xué)中的理論，利用現(xiàn)代電子計算機(jī)和各種數(shù)值方法，解決力學(xué)中的實際問題的一門新興學(xué)科。它橫貫力學(xué)的各個分支，不斷擴(kuò)大各個領(lǐng)域中力學(xué)的研究和應(yīng)用范圍，同時也在逐漸發(fā)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(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品和大型土木工程的大量問世，是計算力學(xué)技術(shù)發(fā)展的助推器和主要應(yīng)用領(lǐng)域，正是因為工業(yè)和工程領(lǐng)域永無止境的需求，才使得CAE技術(shù)的發(fā)展從學(xué)術(shù)領(lǐng)域迅速進(jìn)入工程應(yīng)用領(lǐng)域并在上世紀(jì)70年代初開始了商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程?！崩紫热A如是說。

   加速產(chǎn)品創(chuàng)新

   每一種產(chǎn)品從概念(初步)設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計直到投產(chǎn)，都有一個生命周期。利用CAE這種仿真分析軟件就能在設(shè)計早期，在機(jī)床、工裝、原材料等重大項目的投入之前，保證設(shè)計的正確性，避免物理樣機(jī)的浪費和失誤，而且為制造、銷售、后期支持服務(wù)等階段提供良好的保證。“如今，整個CAE應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展成為產(chǎn)品生命周期中的一個重要組成部分，CAE產(chǎn)品也由傳統(tǒng)的求解器發(fā)展成為一整套由前后處理器、優(yōu)化工具、求解器、作業(yè)管理、流程管理和數(shù)據(jù)管理組成的完整體系。這一體系在幫助制造業(yè)企業(yè)提升創(chuàng)新能力、提高研發(fā)效率和降低研發(fā)成本方面發(fā)揮了重要的作用。”Altair市場及合作伙伴總監(jiān)葉洎沅告訴《中國電子報》記者。
   據(jù)介紹，在CAE技術(shù)問世之初，其只是作為物理試驗的替代技術(shù)出現(xiàn)，企業(yè)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(xiàn)實條件下無法進(jìn)行的試驗。在上世紀(jì)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(chuàng)新領(lǐng)域獲得了當(dāng)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(fā)或與其他企業(yè)或?qū)W校合作研發(fā)許多新興技術(shù)來輔助其新型火箭和航天器的設(shè)計。在這些技術(shù)中、CAE技術(shù)和網(wǎng)格計算技術(shù)都是其中后來得到成功商業(yè)化的代表性技術(shù)并得以在其他制造業(yè)中廣泛應(yīng)用。
   在CAE技術(shù)問世之初，由于受計算機(jī)硬件條件和高價格的限制，其只能用于求解極小規(guī)模的問題，例如波音和通用汽車不得不將其產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)簡化為板梁結(jié)構(gòu)來進(jìn)行非常粗略的剛度計算。直到上世紀(jì)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(shù)才得以被廣泛普及，專業(yè)的前后處理器和新一代具備優(yōu)化功能的求解器也得以大規(guī)模使用，原因是企業(yè)對CAE建模和仿真的復(fù)雜度都有了更高的要求，由此也帶來了眾多的衍生產(chǎn)品。

   三強(qiáng)主導(dǎo) 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(qiáng)主導(dǎo)，百花齊放。”通過一系列的采訪記者了解到，三大軟件企業(yè)領(lǐng)跑通用CAE(MCAE)市場。這三大企業(yè)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(lǐng)域著名企業(yè)達(dá)索公司以總價約 4.13億美元現(xiàn)金購入囊中。而ANSYS公司在最近幾年陸續(xù)花巨資收購了CFD(計算流體力學(xué))領(lǐng)域的最大兩個產(chǎn)品FLUENT和CFX，以及CEM(計算電磁學(xué))領(lǐng)域最大的產(chǎn)品ANSOFT后，公司實力得到進(jìn)一步提升。
   對于“百花齊放”，安世亞太CAE產(chǎn)品業(yè)務(wù)部總經(jīng)理雷先華告訴記者，“百花齊放”源于CAE的細(xì)分領(lǐng)域太多，滿足特定行業(yè)、特定專業(yè)、特定領(lǐng)域的CAE軟件層出不窮?！芭畈l(fā)展”體現(xiàn)在CAE越來越成為PLM領(lǐng)域的核心技術(shù)，正因為CAE能為研發(fā)提供創(chuàng)新、質(zhì)量、效益等諸多益處，導(dǎo)致CAE市場一直呈高速增長的勢頭，也導(dǎo)致越來越多的CAD/PLM廠商采用并購(如達(dá)索并購ABAQUS)、加大研發(fā)投入等方式進(jìn)入CAE市場，加劇競爭態(tài)勢。
   據(jù)介紹，CAE核心技術(shù)主要在MCAE、CFD、CEM三個方面。每個方面都有相應(yīng)的軟件產(chǎn)品?！翱傮w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(yīng)性廣、功能齊全、應(yīng)用面大的優(yōu)點，缺點則是面向某些特定應(yīng)用時不是那么方便簡潔；專用軟件具有針對性強(qiáng)、方便易用、重點突出的優(yōu)點，缺點則是難以擴(kuò)展應(yīng)用。”雷先華說。[page_break]

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   CAE技術(shù)的三大分支

   計算結(jié)構(gòu)力學(xué)

   有限元理論(FEA)及其計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)可視為CAE技術(shù)發(fā)展的開端。有限元法的物理實質(zhì)是：把一個連續(xù)體近似地用有限個在節(jié)點處相連接的單元組成的組合體來代替，從而把連續(xù)體的分析轉(zhuǎn)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(jī)的結(jié)合，產(chǎn)生了巨大的威力，應(yīng)用范圍很快從簡單的桿、板結(jié)構(gòu)推廣到復(fù)雜的空間組合結(jié)構(gòu)，使過去不可能進(jìn)行的一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力分析變成了常規(guī)的計算，固體力學(xué)中的動力問題和各種非線性問題也有了各種相應(yīng)的解決途徑，并形成了一門新興的學(xué)科——— “計算結(jié)構(gòu)力學(xué)”，通常也稱為MCAE技術(shù)。這是CAE第一個分支領(lǐng)域，即結(jié)構(gòu)分析。

   計算流體力學(xué)

   CAE技術(shù)第二個大的分支領(lǐng)域是流體分析，即計算流體力學(xué)(CFD)。歐拉在18世紀(jì)中葉采用連續(xù)介質(zhì)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(dǎo)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(xué)的理論基礎(chǔ)，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(xué)的基本方程組非常復(fù)雜，在考慮黏性作用時更是如此，如果不靠計算機(jī)，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(jìn)行計算。直到上個世紀(jì)60年代，與用于結(jié)構(gòu)力學(xué)計算的有限元方法差不多同時發(fā)展起來的有限差分法在流體力學(xué)計算領(lǐng)域開始得到廣泛利用，并形成了“計算流體力學(xué)(CFD)”這一新興學(xué)科。其后陸續(xù)出現(xiàn)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(shù)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(xué)數(shù)值解法。

   計算電磁學(xué)

   CAE技術(shù)第三個大的分支領(lǐng)域是計算電磁學(xué)(CEM)。自1785年庫侖創(chuàng)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(guān)系的庫侖定律以來，經(jīng)過奧斯特、安培、法拉第等人的發(fā)展，到1873年麥克斯韋在系統(tǒng)地總結(jié)了前人電磁學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提出了渦旋電場和位移電流假說，創(chuàng)建了著名的“麥克斯韋方程組”并預(yù)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(jīng)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(shù)不多的簡單典型問題，以上個世紀(jì)60年代大型通用數(shù)字電子計算機(jī)的出現(xiàn)為基石，以實際工程和理論上需要解決的大量復(fù)雜電磁問題為有效需求，計算電磁學(xué)由此而發(fā)展并完善起來?，F(xiàn)有的電磁場數(shù)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(xué)法(PO)等。