CAD/CAE系统一体化发展趋势探讨

　　本文探讨了CAD/CAE系统一体化发展趋势相关内容。

　　设计分析一体化是目前所有CAD公司追求的一个主要目标，其核心意图便是为了实现在设计过程中，充分考虑产品的性能和优化，提升产品品质和改善产品性能。

　　几个重要概念及其误区

　　1. 什麽是CAD?

　　CAD即计算机辅助设计(Computer Aided Design)，其概念和内涵正在不断的发展中。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

　　2. 什麽是CAE?

　　CAE(Computer Aided Engineering)即计算机辅助工程，其特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。

　　一方面，CAE技术的应用使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值类比得到满意的解答;另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，进而又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。

　　3. 什麽是设计(Design)?

　　最简单的关於设计的定义就是一种“有目的的创作行为”。

　　根据工业设计师Victor Papanek的定义，设计(design)是为构建有意义的秩序而付出的有意识的直觉上的努力。更详细的定义如下：

　　第一步：理解用户的期望、需要、动机，并理解业务、技术和行业上的需求和限制;

　　第二步：将这些所知道的东西转化为对产品的规划(或者产品本身)，使得产品的形式、内容和行为变得有用且能用，从而令人向往，并且在经济和技术上令其可行(这是设计的意义和基本要求所在)。

　　这个定义可适用於设计的所有领域，尽管不同领域的关注点从形式、内容到行为上均有所不同。1978年，诺贝尔经济学奖Herbert Simon 发表文章对设计给出着名定义：“设计就是找到一种行动方式 ，目的是把现状变成自己更喜欢的样子 ”。

　　4. 几个误区

　　误区1：计算机辅助制图是CAD

　　计算机辅助制图(Computer Aided Drafting)，简写为CAD，譬如我们熟知的AutoCAD辅助制图软件，几乎成了CAD的代名词。目前我国绝大数机械工程师都是二维或三维软件的使用者，他们最终都需要生成二维工程图纸。三维制图和二维制图最大的区别是直观性大为增强，但是本质上并没有改变其制图的地位。因此，计算机辅助制图不是计算机辅助设计。

　　误区2：现代设计就是CAD

　　从前面关於设计的定义，设计包含了人、知识、工具、环境等多方面的结合，因此CAD仅仅只是工具，利用适合设计者的工具可以帮助设计者更快、更好地进行设计。

　　误区3：CAE是有限元分析(FEA)

　　CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程，涉及到多学科的问题，针对不同学科产生了各种仿真分析的数学工具。如FEA(有限元分析)，多体动力学，CFD(计算流体力学)，有限差分法，边界元法，无网格法，加权余量法等等。它们针对不同的领域，各具优势。如FEA适合解决结构的强度、刚度、疲劳等问题;多体动力学适合解决多刚体系统的运动学和动力学特性;CFD适合解决流体的流动和热问题;因此FEA仅仅是CAE的一个领域。

　　误区4：CAE独立於CAD

　　从前面关於CAD的定义“ CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。CAD中必须含有分析(CAE)，也就是说面对设计，CAE是CAD的子集，缺少了CAE的CAD系统是不完整的计算机辅助设计系统。

图1 CAE和CAD的关系

　　现在几乎所有的CAD厂家都认识到CAE的重要性，都先後在CAD环境中加入了CAE，虽然功能有弱有强，但是都充分体现了设计分析一体化是CAD/CAE系统的发展方向。下面将就此进行具体论述。

　　一体化的CAD/CAE系统的发展趋势

　　1. 以设计为导向

　　在制造型企业中CAE的目的在於优化和改进产品设计，因此分析应该无缝融入到设计过程中。因此，单一无缝的CAD/CAE界面是使用的基础。另外，仿真分析如何无缝地融入设计过程，减少设计人员使用CAE系统的难度也是目前发展的方向。仿真向导等技术精彩体现了“以设计为导向”的先进思路。

　　以SolidWorks的Simulation产品为例，该软件为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真介面和仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中。SolidWorks Simulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问(图2)、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。

图2 算例顾问

　　2. 分析功能高级化

　　实际产品的运用环境非常复杂，因此仅进行零件级别的分析是远远不够的，必须进行系统及部件级的分析，尽管这方面的分析尚存在着相当的难度。

　　a) 系统及部件级分析

　　以FEA为例，为实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型、实体、壳、梁、杆进行离散。而且，需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中，连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系(图3)。

图3 面向设计者及分析专家的装配体连接关系

　　b) 多领域的全面分析

　　任何一个产品的设计，不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如动强度、模态、疲劳、参数优化等。

　　c) 面向设计者的多场耦合

　　热结构、流体结构、多体动力学结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，可以解决非常复杂的工程问题。

　　d) 特殊行业及领域的需求

　　不同的行业会有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具;面对电子和消费品领域，则需要有解决跌落分析的能力。

　　e) 高级分析需求

　　面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。

　　3. 面向制造的分析

　　面向制造的分析也是目前CAD环境下的一大趋势，例如可制造性分析、公差分析等。

　　4. 有效解决易用与性能的矛盾

　　目前CAD/CAE软件在使用上越来越简单，但随之而来的矛盾是性能越来越差，解决性能与易用性之间的矛盾成为一大难题。各个CAD厂商也分别推出了适合自己产品的新技术。比如SolidWorks2009推出的SpeedPak技术，解决了大型装配体设计、装配和工程图性能的问题。其CAE产品线更是在大装配、多CPU/多核等的FEA分析、运动学及CFD方面做了极大改善。

　　5. 人性化及智能性

　　如何使现有的CAD及CAE系统体现以人为本的思想，是目前发展的一大方向。因此在面向普通设计者时，必须摒弃深奥的CAE名词、概念及方法。也即，在使用时必须站在设计者的立场上组织CAE使用习惯并考虑自动的上下关联智能操作。

　　6. 知识工程

　　设计及分析知识作为企业最宝贵的财富，如何予以继承、组织和归纳，也是知识工程的一大应用领域。这当中涉及到分析库、以及PDM集成CAE技术等多方面的需求。

　　7. 开放性

　　基於通用系统的专用平台是很多企业提高其使用能力和效率的方法，因此CAD/CAE平台的开放性是必须的，而且必须能支持最先进的.Net技术，并且能提供基於.Net的SDK开发包。

　　总结

　　可以肯定的是，以设计为导向、分析功能高级化、面向制造的分析、易用且高性能、人性化及智能化、知识工程、开放性等将成为CAD/CAE系统设计仿真一体化趋势的典型特徵。

　　SolidWorks及其专业级的CAE分析产品线就是这种趋势最为典型的代表。