如果有人問我是做什么的，我發(fā)現(xiàn)在涉及到CAE時(shí)，我很難用通俗易懂的語言讓別人一聽便理解。這不是聽眾的問題，應(yīng)該是我溝通的問題。所以我花了較多的時(shí)間重新來思考，寫下下述文字，期望能解開CAE的神秘面紗，讓它平民化。

要想了解CAE，首先我們來看人類認(rèn)識(shí)和探索自然大致有以下幾種方式。

一是觀察，這非常好理解;二是推演，從已知的東西、按照一定的邏輯方法，推測未知的世界，也比較好理解；三是試驗(yàn)，其實(shí)應(yīng)該與觀察并為一類，為什么我要單列呢?因?yàn)樵囼?yàn)比觀察更難以開展，需要更多的設(shè)計(jì)、組織、測量、分析，并用到很多復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)備;最后一種方式是計(jì)算模擬，并不是所有的東西都可以通過觀察、推演和試驗(yàn)獲得，比如受制于漫長的物理時(shí)間過程、比如宇宙的演化，比如無法在試驗(yàn)中復(fù)制現(xiàn)象發(fā)生的物理化學(xué)環(huán)境、比如核彈的爆炸過程。

為什么能夠開展計(jì)算模擬呢?因?yàn)槿祟愒跀?shù)千年的知識(shí)進(jìn)化中，對于部分學(xué)科，形成了較為完整或嚴(yán)格的理論體系，這個(gè)理論體系在數(shù)學(xué)上已經(jīng)被證明是合理的、正確的。通俗地說，對于無論是自然現(xiàn)象還是產(chǎn)品工作過程(當(dāng)然只是一部分)，我們已經(jīng)發(fā)展出了可以用一組方程精確地描述這個(gè)過程，我們?nèi)粝Ｍ私飧嗟臅r(shí)間或空間上的細(xì)節(jié)或結(jié)果，只要設(shè)法把方程解出來即可。

假設(shè)我們大家理解了上述內(nèi)容，就理解了CAE的基礎(chǔ)。

接下來，我們將范圍縮小到產(chǎn)品開發(fā)，這里的產(chǎn)品特質(zhì)狹義上的實(shí)體產(chǎn)品。我們來看CAE處于產(chǎn)品開發(fā)中的什么環(huán)節(jié)。首先我們來重溫一下產(chǎn)品開發(fā)流程。

• 設(shè)計(jì)輸入(產(chǎn)品性能改進(jìn)要求，市場輸入，公司內(nèi)部規(guī)劃等)

• 調(diào)研研究(文獻(xiàn)，競爭對手產(chǎn)品，最新技術(shù)和工藝，可行性等)

• 外觀功能設(shè)計(jì)

• 設(shè)計(jì)計(jì)算(初步的產(chǎn)品性能)

• 計(jì)算機(jī)制圖

• 虛擬試驗(yàn)(即計(jì)算機(jī)仿真)

• 制造工藝設(shè)計(jì)

• 制造

• 試驗(yàn)、測試及數(shù)據(jù)分析

• 設(shè)計(jì)評審

• 提出改進(jìn)設(shè)計(jì)需求

我們再聚焦于最重要的開發(fā)目標(biāo)—產(chǎn)品性能，圍繞產(chǎn)品性能，大量的不同學(xué)科鋪陳展開，幾乎囊括了大部分人類文明發(fā)展出來的各類理工科學(xué)科專業(yè)。這是大學(xué)教育和社會(huì)上專業(yè)研發(fā)人員分工的基礎(chǔ)。企業(yè)設(shè)置了各類部門和團(tuán)隊(duì)來承擔(dān)這些專業(yè)性工作。

在產(chǎn)品流程開發(fā)中，設(shè)計(jì)目標(biāo)比如產(chǎn)品性能，必須通過試驗(yàn)測試來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到性能目標(biāo)。一般來說，要通過多次迭代設(shè)計(jì)、不斷制造物理樣機(jī)、并做試驗(yàn)來驗(yàn)證。周期和成本非常高。而且只是知其然、不知其所以然。

如果我們能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)字化樣機(jī)(即在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出全三維模型)階段，能通過在計(jì)算機(jī)上做試驗(yàn)(即計(jì)算機(jī)仿真，CAE)判斷性能是否符合設(shè)計(jì)要求，那設(shè)計(jì)迭代大部分工作就只需在計(jì)算機(jī)上完成，牽涉不到物理樣機(jī)制造和試驗(yàn)，也就沒有耗費(fèi)成本和時(shí)間的材料購買、開模、工裝夾具、生產(chǎn)制造、裝備、試驗(yàn)等。等數(shù)字化樣機(jī)和計(jì)算機(jī)試驗(yàn)反復(fù)做的差不多，最后再去做少量物理樣機(jī)制造和試驗(yàn)，產(chǎn)品就能基本定型。

理解了計(jì)算機(jī)仿真在產(chǎn)品開發(fā)中所處的階段后，我們來看看為什么CAE能在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，是怎么實(shí)現(xiàn)的?我們以飛機(jī)設(shè)計(jì)為例。

大家知道，飛機(jī)能夠克服重力起飛，要靠飛機(jī)機(jī)體(主要是機(jī)翼)以一定速度、角度切割空氣產(chǎn)生升力。我們在計(jì)算機(jī)上初步設(shè)計(jì)出一架飛機(jī)(這架飛機(jī)有了特定的尺寸、曲面、結(jié)構(gòu)布局、關(guān)鍵空間特征)后，如何判斷能夠這個(gè)設(shè)計(jì)是否滿足這些指標(biāo)?

以升力和阻力為例。這個(gè)問題從學(xué)科上歸結(jié)于空氣動(dòng)力學(xué)問題，飛機(jī)以一定速度和角度切割空氣，空氣會(huì)在機(jī)身繞流，在機(jī)身的不同地方會(huì)有不同的空氣壓力、速度，以機(jī)翼為例，上下表面的壓力差就構(gòu)成了向上抬升飛機(jī)的升力。空氣繞流飛機(jī)的過程，可以由一組偏微分方程可以精確地描述，它叫Navier-Stocks方程，1827年就已經(jīng)由法國和英國的科學(xué)家共同提出來。只要解出這組方程，飛機(jī)機(jī)身及周邊各個(gè)點(diǎn)上的壓力、速度都有了。這組方程非常復(fù)雜，流體力學(xué)專家們這一百多年來主要努力在解這組方程，一直在發(fā)展各類算法、各類數(shù)學(xué)和物理模型。幸運(yùn)的是，近幾十年人類有了計(jì)算機(jī)，就可以將復(fù)雜的計(jì)算通過程序交由計(jì)算機(jī)來解。

我們不花時(shí)間來講如何解這些方程的算法和軟件實(shí)現(xiàn)，只需要大家明白，在算法理論不斷進(jìn)步的前提下，是越來越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)在人類的指令(程序)下來解這些方程，越解越快，越解越精細(xì)。

實(shí)際上這個(gè)過程通俗地說就是在計(jì)算機(jī)上做吹風(fēng)試驗(yàn)，來驗(yàn)證一種飛機(jī)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性是否滿足要求。當(dāng)然，最后我們還要在真實(shí)的風(fēng)洞中做吹風(fēng)試驗(yàn)，但次數(shù)已大大減少、時(shí)間大大節(jié)約、成本大大壓縮，大家知道嗎?C919大型客機(jī)在荷蘭做風(fēng)洞試驗(yàn)，一次要幾千萬元人民幣，即使在目前有計(jì)算機(jī)仿真的情況下，也要做幾十次、幾百次的試驗(yàn)，如果沒有計(jì)算機(jī)仿真呢?代價(jià)幾乎是無法想象的。

那么最后我們探討計(jì)算機(jī)仿真究竟有哪些類別?目前處于什么發(fā)展?fàn)顟B(tài)?

一般來說，CAE主要關(guān)注產(chǎn)品特性中的抽象出的物理性能，比如力學(xué)特性、電學(xué)特性、光學(xué)特性等。按照被關(guān)注的物理特性，一般有這么幾類軟件：

結(jié)構(gòu)分析軟件：關(guān)注強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)特性

流體分析軟件：關(guān)注溫度、速度、壓力、流量等特性

熱分析軟件：關(guān)注溫度和熱流等特性

電磁分析軟件：關(guān)注電場和磁場強(qiáng)度和密度等特性

光學(xué)分析軟件：關(guān)注光的照度、強(qiáng)度和輝度等特性

聲學(xué)分析軟件：關(guān)注聲強(qiáng)、頻率、聲品質(zhì)等特性

CAE和CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通俗地說就是計(jì)算機(jī)畫圖或數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造，比如數(shù)控機(jī)床編程)、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃)等統(tǒng)稱為CAx，是制造業(yè)中最為核心的研發(fā)價(jià)值鏈，也是國內(nèi)制造業(yè)和國外差距的主要領(lǐng)域。

CAx和PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理都?xì)w為一個(gè)特定的制造業(yè)信息化大領(lǐng)域PLM(產(chǎn)品壽命周期管理)。PLM在全球是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，2014年全球PLM總產(chǎn)值372億美元，但在中國僅為14.69億美金。隨著中國制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，中國PLM市場的增長空間巨大無比。

從以上分析可以看出，CAE是一個(gè)不折不扣的最高端的高科技領(lǐng)域，也是近四十年來美國等國家對中國封鎖最嚴(yán)的領(lǐng)域。美國人有一個(gè)簡單的邏輯思維：一旦中國人獲得了頂級(jí)的CAE軟件或掌握了開發(fā)CAE軟件的全部技能，理論上設(shè)計(jì)任何國防和高科技產(chǎn)品都有了可能。因?yàn)镃AE幫中國人實(shí)現(xiàn)了知其然并知其所以然。

但事實(shí)是，中國與發(fā)達(dá)國家的差距非常大，中國的科學(xué)家(比如力學(xué)科學(xué)家)、計(jì)算技術(shù)科學(xué)家(算法研究和實(shí)現(xiàn))、計(jì)算機(jī)圖形等方面不缺頂尖高手，中國缺失了體制(特別是科研管理體制、高等教育體制)、文化(特別是創(chuàng)業(yè)文化、合作文化)、市場化方面的優(yōu)勢，同時(shí)中國失去了從上世紀(jì)70年代到90年代寶貴的20年、這個(gè)20年是發(fā)達(dá)國家CAE技術(shù)飛速發(fā)展的20年，以及中國制造業(yè)過去整體上以仿制、高密度資本、高人力成本、高資源消耗為主要特征，缺少對原創(chuàng)性研發(fā)的追求，CAE自主化的市場應(yīng)用環(huán)境因此并未形成。

但差距也是機(jī)遇，希望更多的優(yōu)秀人才、產(chǎn)業(yè)資本能夠聚攏到這個(gè)領(lǐng)域，那將是一件不但商業(yè)上可以創(chuàng)造奇跡、對于整個(gè)國家也是產(chǎn)生巨大價(jià)值的偉業(yè)。

來源：ANSYS學(xué)習(xí)與應(yīng)用