正确认识CAE技术（一）

zhongbo · 发表于 2010-10-31 12:53:06

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CAE的概念与基本价值
CAE是Computer Aided Engineering的缩写，即计算机辅助工程。从字面上看，CAE的定义不如CAD(Computer Aided Design)的定义直接，因此现在仍有人将CAE与CAD混淆，或者误认为CAD包含了CAE。其实，CAD与CAE是两个完全不同的概念，从一个产品的设计过程看，CAD与CAE服务于产品设计的不同阶段，尽管CAD与CAE一体化已成为当前的一种趋势，但这只反映了二者客观的关联性，因为功能上截然不同的差异是本质的。当前，从传统的CAD中分离出来的CAE的着力点不是产品的几何，而是产品性能的分析、评估、优化。由于产品的复杂性，这种分析、评估、优化不得不借助基于计算机技术的数值方法，因此，自从美国SDRC公司1978年将CAE从传统的CAD中分离出来以后，CAE已经与CAD、CAM(Computer Aided Manufacturing)并列成为复杂产品设计、制造的三个计算机辅助手段之一。
根据上述定义，不难看出CAE技术比CAD技术能获得更本质的效益，尽管一个产品的几何十分重要，但是产品的性能更重要，因为一个产品的几何造型必定要服务于产品的性能要求。例如，高速动车组的流线型设计不仅要求几何外形具有时代气质，还要求它应该有着良好的空气动力学性能。显然，在气动阻力最小化的要求下，后者比前者更重要，因为空气动力学性能是否优秀，只能借助于CAE技术进行分析与评估。当然，认为CAE技术与CAD技术相比能获得更本质的效益，并不是排斥CAD技术，正是CAD几何造型技术的支持，CAE的建模才似如鱼得水。
当前，CAE技术的价值越来越被人认同与重视，首先是它自身有着坚实的理论内核。以CAE中的有限元方法为例，有限元分析功能的本质，其实源自于数学上数值求解微分方程的有效性。事实上，许多工程问题，不论其复杂程度如何，其物理模型的数学内涵均可用微分方程演绎，下表列出了部分物理过程对应的控制微分方程：
物理过程的控制微分方程表1
物理过程状态变量（或未知量）控制微分方程
热传导温度傅里叶方程（Fourier）
润滑应力雷诺方程（Reynolds）
流体流动速度斯托克斯方程（Wavier-Stocks）
多孔介质压力达西方程（Darcy）
声学压力分布亥姆霍兹方程（Helmholtz）
静磁学磁势麦克斯韦方程（Maxwell）
静电学电热库伦方程（Coulomb）
温度密度菲克方程（Fick）
针对不同类型的物理问题，或不同类型的控制微分方程，CAE中有不同的求解方法，例如最常用的有限元法（FEM），边界元法（BEM），多刚体动力学法（MBD），流体动力学的有限体积法（CFD）等等。随着计算机软硬件技术的迅速发展，这些包括并行计算在内的求解方法日益成熟与稳定，使得CAE技术处理复杂工程问题的能力得到了极大的提高。
在上述求解器理论内核成为CAE技术坚实后台的同时，面向用户的功能强大的前后处理器已转移为当前CAE技术开发的重心。求解对象越复杂，前后处理器越重要。回想起四十多年前“纸带穿孔”、“卡片打孔”式的有限元编程与建模的辛苦，今天CAE技术用户界面的深刻变化真令人激动不已。在可视化的图形界面支持下，CAE的前端建模几乎成了一门艺术；而后端展示的分析结果使性能仿真入木三分。在数据库技术支持下，前处理器、求解器、后处理器三位一体支承着现代CAE技术的高价位。
然而，CAE的价值并不为所有人接受，尤其是将前处理器、求解器、后处理器刻录到光盘介质上之后，有人怀疑CAE的价值，而这些人的怀疑似乎不无道理，以美国MSC公司的有限元软件MSC、MARC为例，当工厂付出了许多之后，拿到手里的不过是一张光盘介质。
谁都知道，一张光盘的重量仅14克多一点，它本身的成本几乎等于零，可是，当它刻录上MARC软件执行代码之后，这张光盘的身份竟然成千上万倍的升值，如果以克这样的单位论价，它的价格将是黄金价格的许多倍。
在知识已经成为企业资产甚至大部分资产的今天，这种疑惑是站不住脚的。如果透析一下美国微软之类公司的财富积累过程，其形式不都是这种以光盘介质为产品载体的市场交换吗？因此，CAE技术的价值在于它潜能很大的知识，一旦这些知识潜能得以释放，它对产品设计的“辅助”将是不可替代的。

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