多方面分析CAE技术的未来发展趋势

　　1.CAE技术的发展

　　计算机辅助工程(CAE)作为一门新兴的学科已经逐渐的走下神坛，成为了各大企业中设计新产品过程中不可缺少的一环。传统的CAE技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真，验证未来工程/产品的可用性与可靠性。

　　如今，随着企业信息化技术的不断发展，CAE软件与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，在提高工程/产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面都发挥了重要作用，成为实现工程/产品创新的支撑技术。

　　虽然CAE技术经过近50年的洗礼已经逐渐成熟，但对于一门新技术发展成熟则需要面对无数的挑战，而对于CAE技术的用户企业与CAE软件提供商发展至今而言，仍然面临着如软件使用复杂、工程师理论知识欠缺、缺少实践经验、CAD与CAE的集成、仿真数据管理分散、计算机硬件与软件结合以及计算速度等诸多实际问题和挑战。

　　2.CAE技术面临的挑战

　　2.1CAE软件的易用性

　　CAE技术最直接的挑战是软件的易用性问题，这不仅仅是简化软件操作的问题，而是CAE软件能否真正在企业普及应用的真正关键因素。

　　CAE软件的应用分为两个部分，即软件操作与理论知识。传统的CAE软件在操作上比较复杂，都需要手动编写程序，并且需要一个经验的积累。而同时，CAE技术还涉及到大量的数学和力学问题，对CAE工程师理论知识的掌握有一定的要求，综合这两方面的要求，使得CAE软件长期得不到普及应用。

　　80年代初个人计算机刚刚诞生时，通过各种命令来进行操作的DOS操作系统一直被认为过于专业，大众并不知道该如何输入各种命令来操作计算机，所以，在DOS操作系统下计算机一直未有广泛的普及应用(虽然这其中也存在着硬件方面的问题)。而自从90年代后可视化操作系统(如Windows、Mac、Linux……)出现以后，计算机的普及速度达到了一个非常惊人的地步。

　　CAE技术的发展亦是如此，我们不排除CAE往更专业的方向发展，但目前阶段我们更需要可视化、易操作的CAE软件。正如目前市场上计算机的操作系统中DOS依然是不可缺少的，但更多的是以可视化的界面存在的Windows、Mac等系统。

　　2.2CAE技术经验的积累

　　2.2.1对于CAE工程师而言

　　会使用CAE软件不等于会用CAE来进行产品分析，对于同一个的产品模型而言，不同的CAE工程师使用同一款CAE软件进行分析时，由于知识和经验的差异，在进行模型简化、网格划分、优化等方面都有着不同的方法，而最后所得出的结果差异也将会很大。

　　因此除去理论知识与软件的操作外，对于各种结构的产品进行仿真分析的经验积累也是必不可少的。CAE技术始终是从实践中来，在到实践中去的东西，没有大量的实践经验，仅仅会操作软件也是用处不大。

　　可以说CAE软件只是一个工具，工程师要学会灵活运用，特别是一些设置问题、模型简化，不能按照书本中的例子来死搬硬套，而需要根据实际情况来确定。一个很复杂的产品分析，模拟的结果不一定很正确，所以分析出的数据只是个参考，真正的问题是不能靠软件的来解决的，至少在现在看来是这样的，因为没有哪个理论现在能完全的解释现实中的问题。

　　总之，CAE软件分析只是一种作为参考的依据，具体还要到实验中验证，并且由分析指导实验，实验来验证、修正分析。

　　2.2.2对于企业而言

　　(一)CAE知识平台的建立

　　在分析流程中形成统一规范的知识平台，在平常的设计中，很多零件的差别十分细微，但差之毫厘，可能谬之千里。企业如果能建立一个不同结构零件设计和分析的标准流程，并将其规范和固化下来，后续的设计分析工作就能事半功倍：

　　①减少工作量和成本。对关键零部件或结构的CAE分析结果进行检验，将最合理的方法记录下来并形成规范，在开发同类的新零件时，可以有效减少反复试验和分析耗费的时间，减少工作量，节约成本。

　　②减少了人员变动和流动对企业的损失。如果有工作人员离开，后面的接替人员也可以比较方便的继承前人的经验，使得知识和经验保留在统一的平台上，可避免人员流动给企业带来的损失。

　　③降低差错几率。CAE是需要实际经验来验证的，一方面，通过这个平台积累下来的技术和经验，CAE也减少了验证程序;另一方面，通过收集别的企业已经验证过的，和国外已经验证的数据，综合到这个平台里，也能省去一些验证工作。从而保证了结果的精准，这样从问题入手，能够减少产品因零件所出的差错。

　　传统的CAE的操作模式、工作模式一直处于个性化的状态，这种个性化对知识的传承和流程的标准化带来很大的障碍，CAE直到今天技术门槛仍然很高，这其中知识难以传承和工作流程没有标准化是很重要的因素。当一项技术没有标准化的时候，就很难形成产业，对企业来说，成为生产线技术是最为理想的，这些都是目前CAE面临的问题，是CAE发展的瓶颈。

　　因此，企业如何建立自己的虚拟仿真规范和知识库，实现对虚拟仿真知识的捕捉和重用，如何将经验丰富的分析专家的仿真知识和仿真流程传承给新入门的分析工程师，是企业真正应用好CAE技术的关键。

　　(二)仿真数据管理

　　在虚拟仿真的过程中，生成了海量的、不同类型的仿真文档和数据，对应不同的分析结果，那么这些数据应该如何进行管理?

　　企业在感受到CAE技术的应用对产品研发带来的好处后，也逐步意识到CAE软件产生的大量的数据需要完善的管理，而以种类多、数据量大等特点著称的CAE数据是否能够很好的被PDM所管理也为诸多的PLM、CAE厂商提出了新的挑战。

　　虽然在几年前就已经提出了仿真数据管理，但要真正的把仿真数据管理好还需要经历一个过程。因为仿真数据管理的基础是不能在现有的信息链上产生出另外一个“信息孤岛”，所以说如何有效管理仿真文档，如何建立分析文档与产品模型的对应关系，是CAE技术深化应用必须解决的问题。

　　2.3CAD/CAE软件的一体化

　　CAD与CAE技术的相互融合、相互渗透已成了企业用户一种自发的有效需求。在新型CAD/CAE设计分析一体化技术产品的帮助下，工业化研发、设计实现了从经验设计到计算机辅助设计的转变。而CAD/CAE一体化技术的出现，也使得工业流程得到了缩减，研发、设计过程基本融合，可大大缩短产品周期，提高产品质量。

　　目前CAD市场中的主流软件中都有着CAD/CAE设计分析一体化的解决方案，Catia的应力分析(GPS)模块、机构设计运动分析模块(KIN);SiemensNX的NXNastran;Pro/E的Pro/Mechanical;SolidWorks的Simulation模块等。

　　而设计分析一体化是目前所有CAD公司追求的一个主要目标，其核心意图就是为了实现在设计过程中，充分考虑产品的性能和优化，提升产品质量和改善产品性能。而CAD/CAE技术紧密的结合在一起则已经成为了CAE技术一个非常重要的发展方向。

　　2.4高性能计算

　　计算机技术的飞速发展带动了CAE技术的发展步伐，而仿真技术如何跟上计算机硬件技术的发展。多核CPU、GPU、工作站等硬件技术发展迅速，为CAE技术提供了一个非常坚实的后盾。充分利用多核CPU、HPC、并行计算等新兴技术提高虚拟仿真的分析效率、减少计算时间，将会是CAE技术一个非常重要的发展方向。

　　目前，各大CAE软件厂商如ANSYS、MSC、DSSIMULIA、Altair等都已经逐步的把高性能计算技术结合到软件中。相信在不久的将来，计算机硬件与软件技术良好的结合后将会把虚拟仿真的运算速度提升到一个新的高度。

　　而为了跟上计算机硬件高速发展的步伐，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些实用的新算法将不断问世。而新的算法在对复杂的工程或产品仿真时，能够充分发挥超级并行计算系统的软、硬件资源，高效率和高精度地获得计算结果。

　　但是，计算速度与计算精度之间存在的矛盾是难以融合的，想要提高计算速度就必然要以牺牲精度为代价，这不仅仅是软件、硬件所能够解决的问题，说回来还是需要CAE工程师能够在仿真过程中有足够的分析经验与判断能力，在计算速度与计算精度之间调节出一个最为适合企业应用的方案。

　　3.结语

　　CAE技术的发展趋势可以概括为，采用最先进的信息技术，吸纳最新的科学知识和方法，扩充CAE软件的功能以提高其性能。

　　而三维图形处理与虚拟现实、面向对象的工程数据库及其管理系统、多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析以及适应于超级并行计算机和机群的高性能CAE求解技术的发展创新，为CAE软件的功能、性能和技术方面不断增加着砝码。

　　总之，CAE行业正处于一个快速发展、成长时期，而一项新的技术从提出到应用再到产生效益总有一个成长的过程。尤其是在起步阶段，还特别需要各个方面的重视和支持，只有这样，才能共同把这项工作做好。