(資料來源：半導體仿真論壇 http://www.iccae.com)

朱全敏

一、計算機輔助工程（CAE）

計算機輔助工程是隨著CAD/CAM技術的發展而出現的一種新技術，它的含義和功能范圍還沒有統一的提法，有些專家將CAE看成是包含工程分析在內的廣義的CAD/CAM，同時由于CAE在機械工程中的應用最廣泛（如鐵路貨車產品結構有限元分析系統），因而把廣義的CAE稱做MCAE。但是，很多數學者目前還是把CAE看成是以計算力學為基礎，以計算機仿真（模擬）為手段的工程分析技術，并相應地把它歸入廣義的CAD功能中，作為實現產品優化設計的主要支持模塊。按照后一看法，CAE技術包括有限元FEM和邊界元BEM分析、運動機構分析、氣動或流場分析、電路設計和磁場分析等。其中有限元分析在機械CAD中應用最廣泛。這種方法，首先在幾何上把分析對象劃分成有限個單元，由互相交叉的網格節點形成有限個元素，然后通過計算每個單元或節點的特性，分析整體的特性。有限元分析法是近20年來發展起來的技術，隨著應用規模和范圍的不斷擴大，其理論和技術日益完善，它最突出的優點是通用性強，可用于工程結構力學、熱傳導、液壓、氣動力學等的分析中，適用于包括電子、航空、航天在內的各種機械工程領域。同時，對于各類工程分析問題，有相當一部分相似的處理過程，因而非常適用于標準化。

二、電機CAE的發展

20世紀70年代以來，隨著科學技術的迅猛發展與社會需求日趨多樣化，市場變化頻繁，競爭激烈。表現在電機產品方面，產品更新換代的周期越來越短，產品的性能、質量、價格以及交貨期的競爭越來越激烈。對大數電機廠來說，一個明顯的特點是多品種、小批量生產占主導地位。在進行多品種、小批量生產時，由于產品的品種和工藝過程的多樣性，環境條件（如用戶訂貨、外購、外協、交貨期等）的不確定性，以及生產計劃與生產調度的動態性等因素，致使物料過程復雜多變，信息流的數據和信息龐雜，信息的處理、貯存與傳輸頻繁。因此，按常規的單件生產或按剛性自動化的方式都無法適應，必須解決物流既具高效自動化，又具生產“柔性”即柔性自動化的問題；同時，也必須相應地解決信息流（包括產品設計、工藝設計以及生產管理）的自動化問題。所謂柔性（flexibility）是指，當生產對象改變時，具有靈活的適應性。

在電機工程中的應用主要有以下幾個方面：

1、計算機輔助電機設計：這是利用計算機幫助人們設計出最佳的電機；
2、計算機輔助電機工程圖的繪制；
3、計算機輔助電機電磁場、溫度場和應力場的計算。

過去，電機中場的求解只限于應用解析法和圖解法。這些方法的應用，一般限制在邊界條件簡單而媒質為線性的場合。計算機和計算技術的發展為電機中復雜的場問題數值解提供了條件，從而可以將現代數值解中的差分法、有限元法和邊界元法等方法，在利用計算機技術的基礎上去求解電機中的各種線性和非線性的穩定場或瞬變場的問題，并獲得較滿意的結果。

計算機具有大容量和可靠記憶能力、快速的數據處理能力和檢索能力，這些能力正好與人的特長互補；另一方面，人只要以程序化的方式賦予計算機一定的智能，計算機即可替代人的思維進行邏輯判斷與推理，起著“專家”的作用；此外，計算機是可編程的，具有極大的柔性。因此，計算機是解決電機產品多品種、小批量生產柔性自動化的最佳途徑。

三、電機電磁場有限元分析

電機電磁場是工程領域中所遇電磁場的一種，電磁場問題的理論基礎是Maxwell方程組，各種電磁場問題均可等價于數學領域中偏微分方程的初、邊值問題。

電機電磁場所包含的類型很多，如按場源是否隨時間變化可分為穩態場與時變場；按求解區域的媒介線性與否可分為線性、非線性問題；按電磁場位函數的維數可分為一維、二維、三維問題。就從電機電磁場分布區域來看，也有氣隙磁場、端部磁場、鐵心磁場、電樞導線渦流場等；從理論上講，用數值方法可以解決上述問題，但實際工程應用中，即使是基本的二維穩態電機電磁場問題，電機設計者也較少從場的觀點出發，采用有限元或其它數值法進行求解，究其原因，除客觀條件限制外，主觀上仍有兩方面：其一是要用有限元或其它數值法求解電機電磁場問題，則設計者本身至少要精通該數值方法的理論及過程、相應的計算機程序語言及數據結構、輸入數據文件的建立，有時還要進行必要的程序修改、編譯等；其二，設計者在數值計算前，由于數據前處理過程單調、數據量浩繁，其工作量約占整個有限元分析工作量的80%，因此，電機電磁場數值計算的工程應用研究已經提到較重要的位置，即如何從電機設計者角度出發，將較成熟的求解電機電磁場的數值算法如有限元法在過程上通用化，操作上簡捷化，數據管理上自動化，讓電機設計者真正將有限元法作為一種求解電機電磁場的通用工具，正如會使用計算器的人，并非必須了解其工作原理、機器語言、數碼顯示等。

由于有限元理論已比較完備，相應的計算方法及軟件已在工程領域中作為分析計算的工具，因此，電機設計人員更關心如何應用有限元法來分析計算電機電磁場，即有限元前（后）處理。

1、 有限元前處理：是指在有限元分析程序運行以前，針對某一具體問題所必須的所有數據的準備工作。就電機電磁場而言，它主要包括求解區域的確定、幾何模型描述、區域網格剖分、節點、單元編號及優化、各種信息數據生成等。

2、有限元后處理：進行電機電磁場有限元分析的目的，是讓電機設計者對電機磁場有清晰直觀的認識，而有限元法作為一種數值算法，其分析計算的結果因數據浩繁，不便分析評價。將這些數據轉換成工程領域所熟悉的各種圖、曲線、表格等對工程分析及設計評價是很必要的，這就要用到有限元后處理。

目前有限元分析系統（前處理、有限元求解、后處理）發展的總趨勢是與CAD系統集成化，以形成設計、計算、優化、分析、繪圖的集成化軟件系統，國際上較著名的有限元軟件系統有ANSYS等。