编者语：在计算机辅助4C系统中，有一个“C”至关重要，但又很难被领会并掌握，它就是CAE(计算机辅助工程软件)。这个被称为“只有博士才能用好的软件”如今已成为船舶、航空航天、汽车、机械、土木结构等行业的研发领域必备软件，并且已由辅助的验证工具，转变为驱动产品创新的引擎。

   作为CAx系列软件中至关重要的一环，CAE的应用逐渐得到扩大。其在加速产品创新中的作用也进一步彰显，逐渐由辅助的验证工具，转变为驱动产品创新的引擎。

   三大因素驱动应用

   “CAE技术是近代力学理论、计算机计算技术、现代工业推动三者相结合的产物。”安世亚太CAE产品业务部总经理雷先华在接受《中国电子报》记者采访时表示。据介绍，近代力学的基本理论和基本方程在19世纪末20世纪初已基本完备，后来的力学家大多致力于寻求各种具体问题的解。但由于许多力学问题相当复杂，很难获得解析解，用数值方法求解也遇到计算工作量过于庞大的困难。通常只能通过各种假设把问题简化到可以处理的程度，以得到某种近似的解答，或是借助于试验手段来谋求问题的解决。
   第二次世界大战后不久，第一台应用电子计算机在美国出现，并在以后的20年里得到了迅速的发展，到20世纪60年代出现了大型通用数字电子计算机。这种强大的计算工具的出现使复杂的数字运算不再成为障碍，为计算力学的形成奠定了物质基础。计算力学就是根据力学中的理论，利用现代电子计算机和各种数值方法，解决力学中的实际问题的一门新兴学科。它横贯力学的各个分支，不断扩大各个领域中力学的研究和应用范围，同时也在逐渐发展自己的理论和方法。
   “以航空航天器、汽车、高层建筑等为代表的现代工业产品和大型土木工程的大量问世，是计算力学技术发展的助推器和主要应用领域，正是因为工业和工程领域永无止境的需求，才使得CAE技术的发展从学术领域迅速进入工程应用领域并在上世纪70年代初开始了商业化发展进程。”雷先华如是说。

   加速产品创新

   每一种产品从概念(初步)设计、技术设计、详细设计直到投产，都有一个生命周期。利用CAE这种仿真分析软件就能在设计早期，在机床、工装、原材料等重大项目的投入之前，保证设计的正确性，避免物理样机的浪费和失误，而且为制造、销售、后期支持服务等阶段提供良好的保证。“如今，整个CAE应用已经发展成为产品生命周期中的一个重要组成部分，CAE产品也由传统的求解器发展成为一整套由前后处理器、优化工具、求解器、作业管理、流程管理和数据管理组成的完整体系。这一体系在帮助制造业企业提升创新能力、提高研发效率和降低研发成本方面发挥了重要的作用。”Altair市场及合作伙伴总监叶洎沅告诉《中国电子报》记者。
   据介绍，在CAE技术问世之初，其只是作为物理试验的替代技术出现，企业使用CAE的主要目的是为了降低试验成本或者用虚拟方式取代现实条件下无法进行的试验。在上世纪70年代，NASA（美国国家航空航天局）成功完成阿波罗登月计划，从而在创新领域获得了当时无可比拟的市场声誉并获得了大量的政府投资。这些资金帮助NASA开始自主研发或与其他企业或学校合作研发许多新兴技术来辅助其新型火箭和航天器的设计。在这些技术中、CAE技术和网格计算技术都是其中后来得到成功商业化的代表性技术并得以在其他制造业中广泛应用。
   在CAE技术问世之初，由于受计算机硬件条件和高价格的限制，其只能用于求解极小规模的问题，例如波音和通用汽车不得不将其产品的整体结构简化为板梁结构来进行非常粗略的刚度计算。直到上世纪90年代中期，随着硬件性能的大幅提升和硬件成本的下降，CAE技术才得以被广泛普及，专业的前后处理器和新一代具备优化功能的求解器也得以大规模使用，原因是企业对CAE建模和仿真的复杂度都有了更高的要求，由此也带来了众多的衍生产品。

   三强主导 百花齐放

   目前CAE市场格局的状况可以用这么8个字来概括：“三强主导，百花齐放。”通过一系列的采访记者了解到，三大软件企业领跑通用CAE(MCAE)市场。这三大企业分别为：ANSYS公司、MSC公司以及ABAQUS公司，其中ABAQUS公司于2005年被PLM领域著名企业达索公司以总价约 4.13亿美元现金购入囊中。而ANSYS公司在最近几年陆续花巨资收购了CFD(计算流体力学)领域的最大两个产品FLUENT和CFX，以及CEM(计算电磁学)领域最大的产品ANSOFT后，公司实力得到进一步提升。
   对于“百花齐放”，安世亚太CAE产品业务部总经理雷先华告诉记者，“百花齐放”源于CAE的细分领域太多，满足特定行业、特定专业、特定领域的CAE软件层出不穷。“蓬勃发展”体现在CAE越来越成为PLM领域的核心技术，正因为CAE能为研发提供创新、质量、效益等诸多益处，导致CAE市场一直呈高速增长的势头，也导致越来越多的CAD/PLM厂商采用并购(如达索并购ABAQUS)、加大研发投入等方式进入CAE市场，加剧竞争态势。
   据介绍，CAE核心技术主要在MCAE、CFD、CEM三个方面。每个方面都有相应的软件产品。“总体来说，这些CAE软件可分为通用和专用两大类别。通用软件具有适应性广、功能齐全、应用面大的优点，缺点则是面向某些特定应用时不是那么方便简洁；专用软件具有针对性强、方便易用、重点突出的优点，缺点则是难以扩展应用。”雷先华说。

  相关链接

   CAE技术的三大分支

   计算结构力学

   有限元理论(FEA)及其计算机程序实现可视为CAE技术发展的开端。有限元法的物理实质是：把一个连续体近似地用有限个在节点处相连接的单元组成的组合体来代替，从而把连续体的分析转化为单元分析加上对这些单元组合的分析问题。有限元法和计算机的结合，产生了巨大的威力，应用范围很快从简单的杆、板结构推广到复杂的空间组合结构，使过去不可能进行的一些大型复杂结构的静力分析变成了常规的计算，固体力学中的动力问题和各种非线性问题也有了各种相应的解决途径，并形成了一门新兴的学科——— “计算结构力学”，通常也称为MCAE技术。这是CAE第一个分支领域，即结构分析。

   计算流体力学

   CAE技术第二个大的分支领域是流体分析，即计算流体力学(CFD)。欧拉在18世纪中叶采用连续介质的概念把静流体中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程从而正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动。1845年斯托克斯推导出粘性流体的一组基本运动方程，这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体力学的理论基础，欧拉方程正是N-S方程在黏度为零时的特例。这些流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑黏性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。直到上个世纪60年代，与用于结构力学计算的有限元方法差不多同时发展起来的有限差分法在流体力学计算领域开始得到广泛利用，并形成了“计算流体力学(CFD)”这一新兴学科。其后陆续出现了有限体积法、用于流体计算的有限元法、分步杂交法、格林函数法、基于有限元的有限体积法、边界元法等等多种多样的计算流体力学数值解法。

   计算电磁学

   CAE技术第三个大的分支领域是计算电磁学(CEM)。自1785年库仑创建了描述两个微小带电体之间作用力与其电量及间距的关系的库仑定律以来，经过奥斯特、安培、法拉第等人的发展，到1873年麦克斯韦在系统地总结了前人电磁学理论的基础上，提出了涡旋电场和位移电流假说，创建了著名的“麦克斯韦方程组”并预言电磁波的存在(1887年被赫兹通过实验证实)，从而建立起完整的电磁场理论体系。使用经典解析方法求解麦克斯韦微分或积分方程组仅能处理为数不多的简单典型问题，以上个世纪60年代大型通用数字电子计算机的出现为基石，以实际工程和理论上需要解决的大量复杂电磁问题为有效需求，计算电磁学由此而发展并完善起来。现有的电磁场数值计算方法主要包括求解微分方程的有限元法(FEM)和时域有限差分(FDTD)等，求解积分方程的有矩量法(MoM)和物理光学法(PO)等。