“ 仿真軟件，是計(jì)算器、是生產(chǎn)工具、還是高價(jià)的資產(chǎn)？”

承接上一篇《苦旅尋真》讀書(shū)筆記1：仿真在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用。但這一篇，大部分內(nèi)容都屬于夾帶私貨，是我自己的一點(diǎn)胡思亂想。畢竟只重復(fù)書(shū)里內(nèi)容實(shí)在沒(méi)啥意思，我寫(xiě)的也肯定不如田鋒總詳細(xì)、完善。

01

買了軟件，為什么用不上？

苦旅尋真第一篇第二章講到大企業(yè)仿真的現(xiàn)狀。出現(xiàn)“大拿迷局”——兩個(gè)大拿，做同一個(gè)問(wèn)題的仿真，結(jié)果不同；同一個(gè)大拿用不同軟件做仿真，結(jié)果不同；而且他們的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都不同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是仿真的結(jié)果不具有一致性、可重復(fù)性。破局方法就是建立整個(gè)公司的仿真研發(fā)體系， 制定仿真規(guī)范。以破解“花了高價(jià)買了很多種仿真軟件，大部分功能卻沒(méi)用起來(lái)”的困局。

這個(gè)“大拿迷局”我們之后再吐槽，今天單聊一聊，為什么我們?cè)敢饣ǜ邇r(jià)購(gòu)買仿真軟件，卻沒(méi)有能用好呢？我的理解是，我們把仿真軟件當(dāng)成了一種簡(jiǎn)單的工具、一種固定資產(chǎn)。

軟件商總是告訴你他們有多么強(qiáng)大的功能，

卻不負(fù)責(zé)告訴你怎么把這些功能用起來(lái)，真正變成企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

其實(shí)，從買了軟件，到把仿真軟件的功能用起來(lái)，真正指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，之間還存在著巨大的鴻溝。我想，原因之一就是，大家對(duì)軟件的理解，可能有各種各樣的偏差。

02

類比

萬(wàn)維鋼老師在2020年12月08日的精英日課專欄發(fā)布過(guò)一篇日課，題目是《科學(xué)思考者：神來(lái)之類比》。所謂類比，就是尋找不同事物之間的相同點(diǎn)。明明是不同的事物，卻能看到它們之間的相同點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)是一回事，這是一個(gè)非常高級(jí)的能力。這需要從表象看到本質(zhì)，是目前的人工智能暫時(shí)還不具備的一種思考方式。

一個(gè)好的類比，能夠非常有效的幫助人們理解一件陌生事物的性質(zhì)。但類比也有風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)讓人陷入類比的對(duì)象中，反推出原有事物并不存在的一些性質(zhì)。很多說(shuō)理性質(zhì)的古文就都犯了類似錯(cuò)誤。比如有人把男女之情和磁鐵做類比，說(shuō)”同性相斥，異性相吸“，并據(jù)此推出同性別的兩個(gè)人在一起必定合不來(lái)，甚至論證同性戀是違反自然天性的行為，這就不是一個(gè)好的類比。人類情感和磁鐵是兩碼事，你不能在這件事上強(qiáng)行類比。但是，這不妨礙我們用“異性相吸”來(lái)類比男女之間的吸引。

一個(gè)類比好不好，不在于它夠不夠精確，而在于它能不能給你帶來(lái)好的啟發(fā)。

那么，工業(yè)軟件，具體一點(diǎn)CAE仿真軟件，以它的性質(zhì)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該類比成什么比較合適一點(diǎn)呢？

03

計(jì)算器還是編程語(yǔ)言

對(duì)仿真軟件，存在很多種類比。下面我就把我能想到的和我聽(tīng)到的，都列舉一下。

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有人說(shuō)，仿真軟件就像是個(gè)高級(jí)計(jì)算器。因?yàn)樗澈蟮睦碚摱际枪_(kāi)發(fā)布的，有限元軟件只是把學(xué)者們發(fā)表的論文用代碼實(shí)現(xiàn)出來(lái)，讓你方便使用，而不需要自己編程實(shí)現(xiàn)了。

這個(gè)類比是有啟發(fā)的。既然是個(gè)計(jì)算器，那它只會(huì)根據(jù)你給的輸入，忠實(shí)的給出它的輸出。無(wú)論仿真軟件發(fā)展到何種高度，最終為計(jì)算結(jié)果的精度負(fù)責(zé)的，都應(yīng)該是使用軟件的那位工程師，而不是軟件。如果你聲稱你算的不準(zhǔn)是因?yàn)檐浖恍校敲丛?0%以上的情況下，事實(shí)都不是軟件不行，而是你這個(gè)人比較菜。（來(lái)自前兩天技術(shù)交流群里的真實(shí)案例。當(dāng)然……我自己和我實(shí)驗(yàn)室的同門師兄弟們也多次親身體會(huì)過(guò)這個(gè)道理。剛罵過(guò)某軟件垃圾 算的不準(zhǔn)，過(guò)兩天總會(huì)發(fā)現(xiàn)是自己沒(méi)設(shè)置好）

但這個(gè)類比的毛病要比它帶來(lái)的啟發(fā)更大。如果仿真軟件是個(gè)高級(jí)計(jì)算器的話，那意味著你作為使用者，需要完全或者至少大部分了解它背后的理論原理。代表你即使沒(méi)有這些商業(yè)仿真軟件，你自己列式手算或者自己寫(xiě)程序，也能求出這些有限元問(wèn)題。無(wú)非是花的時(shí)間長(zhǎng)了那么 億點(diǎn)點(diǎn) 而已。

這個(gè)類比還意味著……如果它僅僅是個(gè)高級(jí)一點(diǎn)的計(jì)算器的話，我們根本不需要擔(dān)心在仿真軟件上被人“卡脖子”，對(duì)不對(duì)？既然大多數(shù)理論都是公開(kāi)的，今天中國(guó)軟件行業(yè)那么發(fā)達(dá)，程序員那么多，如果真的被美國(guó)禁用卡脖子，找一幫天才程序員照著幾十年前的論文和教科書(shū)自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)不就好了嘛。簡(jiǎn)直是仿真版的“我要?jiǎng)?chuàng)業(yè)，有個(gè)好想法，就差程序員了”。

我不知道在群里說(shuō)仿真軟件是個(gè)計(jì)算器的那位朋友，自己能不能手推出一個(gè)包含四根桿單元的結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣。反正我今天這個(gè)技能是已經(jīng)退化掉了。

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還有人認(rèn)為，動(dòng)輒幾十上百萬(wàn)的仿真軟件是高端的制造業(yè)“軟裝備”。如果我沒(méi)記錯(cuò)的話，這個(gè)觀點(diǎn)我應(yīng)該是在程耿東院士的PPT里面見(jiàn)到過(guò)。

這個(gè)類比給我們的啟發(fā)是，既然是重要的高端裝備，那就是大國(guó)重器了。仿真軟件關(guān)系到國(guó)家工業(yè)實(shí)力，關(guān)乎制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，是國(guó)家軟實(shí)力的體現(xiàn)，也是國(guó)家科技核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。既然是大國(guó)重器，我們就要以新型舉國(guó)體制，不懈努力，持續(xù)攻關(guān)，一定要把這項(xiàng)技術(shù)掌握在我們自己手里。

上面的說(shuō)法都沒(méi)錯(cuò)。但是私以為，把仿真軟件類比成一種裝備，也容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。最大的誤導(dǎo)就是前面提到過(guò)的，以為只要買到了最新的仿真軟件，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的操作培訓(xùn)，企業(yè)就如同擁有了最先進(jìn)的機(jī)床、最新的CPU一樣，能夠很快實(shí)現(xiàn)仿真替代實(shí)驗(yàn)、最終用仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)創(chuàng)新的目標(biāo)。

可是……事實(shí)上大家裝過(guò)ANSYS的同學(xué)都知道，安裝的時(shí)候那么多模塊，初學(xué)者總是想著，要不都裝上吧，萬(wàn)一以后能用上呢。結(jié)果往往是，軟件更新了四五個(gè)版本，那些你不會(huì)用的模塊，你還是一次都沒(méi)有點(diǎn)開(kāi)過(guò)。此處有位Matlab用戶路過(guò)，并點(diǎn)了個(gè)贊。

《苦旅尋真》書(shū)里就多次提到，仿真體系的建立，不是僅僅花高價(jià)購(gòu)買軟件就結(jié)束了的。花了高價(jià)買了軟件，并不能直接讓企業(yè)的研發(fā)能力得到提升。這就如同你買了書(shū)不讀 相當(dāng)于沒(méi)買一樣。

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從工業(yè)的視角出發(fā)，可以把CAD，CAE和CAM放在一起，統(tǒng)稱CAX。很多從業(yè)者因此把有限元軟件和CAD軟件類比，或者就像程序員的編程語(yǔ)言一樣，屬于生產(chǎn)力工具。如同PhotoShop、illustrator之于平面設(shè)計(jì)師、3ds MAX、C4D等之于動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)師、SAI之于漫畫(huà)家、SolidWorks之于機(jī)械工程師一樣，ANSYS這類仿真軟件 也是有限元工程師的生產(chǎn)力工具。很多培訓(xùn)的思路差不多就是這樣，就像各種其他軟件 如SolidWorks的視頻課一樣，很多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)也會(huì)錄視頻講講ANSYS等有限元軟件的操作。然后說(shuō)掌握了ANSYS軟件就能找到怎樣怎樣的好工作。

把仿真軟件類比成生產(chǎn)力工具，和前面那些類比就有了一個(gè)非常本質(zhì)的差別。作為程序員，你使用的語(yǔ)言、庫(kù)函數(shù)和IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）是你的生產(chǎn)力工具，但是你用比如Python語(yǔ)言寫(xiě)出來(lái)的程序，是你自己的智力成果，是你自己的產(chǎn)出。作為設(shè)計(jì)師，你使用C4D等工具完成的動(dòng)畫(huà)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)完全屬于你。那么，作為有限元分析工程師，你使用各類有限元軟件建模、劃分的網(wǎng)格、完成的分析，你所開(kāi)發(fā)的整套分析流程，甚至基于它完成的二次開(kāi)發(fā)，基于某款軟件開(kāi)發(fā)出的實(shí)體產(chǎn)品，整個(gè)分析流程和產(chǎn)品數(shù)字模型的所有權(quán)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，都?xì)w你所在的企業(yè)所有。

再進(jìn)一步，如果你用這個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)了什么功能，開(kāi)發(fā)出了什么新產(chǎn)品，那么主要的功勞應(yīng)該歸功于完成了這一分析流程的使用者——你，而不是這款仿真軟件。

我認(rèn)為，這是把仿真軟件類比為生產(chǎn)力工具，帶給我們的最有用的啟發(fā)。

Altair在公眾號(hào)上宣傳過(guò)法國(guó)某大學(xué)基于Radioss求解器開(kāi)發(fā)了一套人體下肢生物力學(xué)模型。事實(shí)上LS-DYNA有更多類似的生物力學(xué)模型。ANSYS Fluent推出新版本的時(shí)候，宣傳Fluent Meshing用的圖有一張著名的戴頭盔的騎行者的外流場(chǎng)網(wǎng)格劃分圖。

https://www.ansys.com/zh-cn/products/fluids/ansys-fluent/mosaic-meshing-technology

這些模型……就和Auto CAD、SolidWorks等軟件啟動(dòng)界面上放的模型圖一樣，就是軟件商的廣告。他們只負(fù)責(zé)告訴你他的軟件【能做】這么復(fù)雜的分析，卻沒(méi)有告訴你這樣的分析項(xiàng)目需要什么樣的知識(shí)背景，需要花多長(zhǎng)時(shí)間，花費(fèi)怎樣的精力去調(diào)試。如果你也能用他們的軟件完成類似難度的仿真，你可能會(huì)被軟件商邀請(qǐng)放在官網(wǎng)上作為典型案例去宣傳的，甚至可能進(jìn)入類似SIMULIA Champion、ANSYS名人堂之類的名單。有這樣水平的軟件應(yīng)用人才，不說(shuō)鳳毛麟角，至少在全世界范圍內(nèi)也是不太多見(jiàn)的。

對(duì)我來(lái)說(shuō)，相比起把有限元軟件當(dāng)作一種高端裝備，我還是更喜歡把它當(dāng)成生產(chǎn)力工具。這個(gè)類比最重要的意義就是讓外行一聽(tīng)就能明白，購(gòu)買了軟件和把軟件用好，是完全不同的兩個(gè)概念。大概就和谷歌開(kāi)源了TensorFlow，跟你的公司用上人工智能技術(shù)加速商業(yè)落地之間的距離差不多。關(guān)于這一點(diǎn)，我還專門討論過(guò)，有限元CAE與人工智能的相似之處。

但是我們也都知道，無(wú)論把仿真軟件類比成PS、CAD這類畫(huà)圖\建模軟件，還是類比成編程語(yǔ)言，其實(shí)都有各自的局限。把仿真軟件類比成建模軟件的問(wèn)題在于，今天的PhotoShop和三維建模等軟件大部分功能 在很大程度上是所見(jiàn)即所得的。CAD類的軟件，例如我之前介紹過(guò)的Inspire Studio，我個(gè)人覺(jué)得就幾乎完全不需要教程視頻和幫助文檔。每一個(gè)功能自己點(diǎn)擊試一試就好了。但是換成Abaqus，每一個(gè)看似人畜無(wú)害的選項(xiàng)背后，都有理論背景支撐。你如果完全不懂什么是減縮積分，什么是單元的階，那么當(dāng)你看到單元類型選項(xiàng)的那些選框的時(shí)候，你不可能僅通過(guò)點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)看看結(jié)果就明白這些功能的作用。

把仿真軟件類比成編程語(yǔ)言，局限則正相反。今天大部分編程語(yǔ)言都不需要付費(fèi)購(gòu)買，恰恰相反，Python這類語(yǔ)言和Python社區(qū)里天量的庫(kù)函數(shù)，基本都是免費(fèi)且開(kāi)源的。開(kāi)源的仿真軟件不是沒(méi)有，非常著名的比如OpenFOAM，Calculix等等。但它們的前后處理功能往往都很不完善，對(duì)用戶十分不友好。

FEM之求解器---開(kāi)源求解器簡(jiǎn)介

今天仿真軟件的使用者們大部分還是不需要編程的。和編程語(yǔ)言（或者某語(yǔ)言下面的一些庫(kù)函數(shù)）相比，仿真軟件還是更多的把算法封裝起來(lái)，留下了精美的用戶界面。只有在使用一些高端功能的時(shí)候，才需要用命令或編輯輸入文件的方式，與商業(yè)軟件的求解器進(jìn)行直接交互。

04

后記

說(shuō)了這么多，其實(shí)相信大部分從業(yè)者都知道 ，CAE就是CAE，上面的任何一個(gè)類比都不能完全 、準(zhǔn)確地描述CAE這個(gè)行業(yè)、這類軟件工具的特點(diǎn)。但是在向領(lǐng)導(dǎo)、老板，尤其是之前沒(méi)有接觸過(guò)CAE的企業(yè)家介紹CAE的時(shí)候就不一樣了。使用類比理解世界是人類的天性，將一個(gè)陌生事物類比到某個(gè)已知的事物上去，是每個(gè)普通人的大腦在認(rèn)識(shí)世界時(shí)候的默認(rèn)選項(xiàng)（比如披薩不就是馕加點(diǎn)肉餡）。類比能節(jié)省人的認(rèn)知帶寬，能幫助你用最短的時(shí)間理解一件新事物。

但是如前所述，類比也會(huì)讓我們的認(rèn)知產(chǎn)生偏差，任何類比都有它的局限。如果你只懂得一種類比，那有可能你對(duì)這個(gè)新事物的認(rèn)知，在很多年里一直都是 存在偏差的。

最后，非常感謝你花時(shí)間讀完了我的胡思亂想。很抱歉， 雖然這個(gè)想法是我讀這本書(shū)的時(shí)候萌生的，但這篇文章跟《苦旅尋真》這本書(shū)的關(guān)系并沒(méi)有很大。那么，你有沒(méi)有什么更好的類比呢？在你眼里，你覺(jué)得仿真軟件更像什么？你會(huì)怎么向你的領(lǐng)導(dǎo)、你的朋友，簡(jiǎn)要的介紹什么是有限元仿真呢？

很期待能和你聊聊