1.CAE技術(shù)的發(fā)展

　　計算機(jī)輔助工程(CAE)作為一門新興的學(xué)科已經(jīng)逐漸的走下神壇，成為了各大企業(yè)中設(shè)計新產(chǎn)品過程中不可缺少的一環(huán)。傳統(tǒng)的CAE技術(shù)是指工程設(shè)計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計、強(qiáng)度與壽命評估、運(yùn)動/動力學(xué)仿真，驗(yàn)證未來工程/產(chǎn)品的可用性與可靠性。

　　如今，隨著企業(yè)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，CAE軟件與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主導(dǎo)技術(shù)，在提高工程/產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期方面都發(fā)揮了重要作用，成為實(shí)現(xiàn)工程/產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐技術(shù)。

　　雖然CAE技術(shù)經(jīng)過近50年的洗禮已經(jīng)逐漸成熟，但對于一門新技術(shù)發(fā)展成熟則需要面對無數(shù)的挑戰(zhàn)，而對于CAE技術(shù)的用戶企業(yè)與CAE軟件提供商發(fā)展至今而言，仍然面臨著如軟件使用復(fù)雜、工程師理論知識欠缺、缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、CAD與CAE的集成、仿真數(shù)據(jù)管理分散、計算機(jī)硬件與軟件結(jié)合以及計算速度等諸多實(shí)際問題和挑戰(zhàn)。

　　2.CAE技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

　　2.1CAE軟件的易用性

　　CAE技術(shù)最直接的挑戰(zhàn)是軟件的易用性問題，這不僅僅是簡化軟件操作的問題，而是CAE軟件能否真正在企業(yè)普及應(yīng)用的真正關(guān)鍵因素。

　　CAE軟件的應(yīng)用分為兩個部分，即軟件操作與理論知識。傳統(tǒng)的CAE軟件在操作上比較復(fù)雜，都需要手動編寫程序，并且需要一個經(jīng)驗(yàn)的積累。而同時，CAE技術(shù)還涉及到大量的數(shù)學(xué)和力學(xué)問題，對CAE工程師理論知識的掌握有一定的要求，綜合這兩方面的要求，使得CAE軟件長期得不到普及應(yīng)用。

　　80年代初個人計算機(jī)剛剛誕生時，通過各種命令來進(jìn)行操作的DOS操作系統(tǒng)一直被認(rèn)為過于專業(yè)，大眾并不知道該如何輸入各種命令來操作計算機(jī)，所以，在DOS操作系統(tǒng)下計算機(jī)一直未有廣泛的普及應(yīng)用(雖然這其中也存在著硬件方面的問題)。而自從90年代后可視化操作系統(tǒng)(如Windows、Mac、Linux……)出現(xiàn)以后，計算機(jī)的普及速度達(dá)到了一個非常驚人的地步。

　　CAE技術(shù)的發(fā)展亦是如此，我們不排除CAE往更專業(yè)的方向發(fā)展，但目前階段我們更需要可視化、易操作的CAE軟件。正如目前市場上計算機(jī)的操作系統(tǒng)中DOS依然是不可缺少的，但更多的是以可視化的界面存在的Windows、Mac等系統(tǒng)。

　　2.2CAE技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累

　　2.2.1對于CAE工程師而言

　　會使用CAE軟件不等于會用CAE來進(jìn)行產(chǎn)品分析，對于同一個的產(chǎn)品模型而言，不同的CAE工程師使用同一款CAE軟件進(jìn)行分析時，由于知識和經(jīng)驗(yàn)的差異，在進(jìn)行模型簡化、網(wǎng)格劃分、優(yōu)化等方面都有著不同的方法，而最后所得出的結(jié)果差異也將會很大。

　　因此除去理論知識與軟件的操作外，對于各種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析的經(jīng)驗(yàn)積累也是必不可少的。CAE技術(shù)始終是從實(shí)踐中來，在到實(shí)踐中去的東西，沒有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，僅僅會操作軟件也是用處不大。

　　可以說CAE軟件只是一個工具，工程師要學(xué)會靈活運(yùn)用，特別是一些設(shè)置問題、模型簡化，不能按照書本中的例子來死搬硬套，而需要根據(jù)實(shí)際情況來確定。一個很復(fù)雜的產(chǎn)品分析，模擬的結(jié)果不一定很正確，所以分析出的數(shù)據(jù)只是個參考，真正的問題是不能靠軟件的來解決的，至少在現(xiàn)在看來是這樣的，因?yàn)闆]有哪個理論現(xiàn)在能完全的解釋現(xiàn)實(shí)中的問題。

　　總之，CAE軟件分析只是一種作為參考的依據(jù)，具體還要到實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證，并且由分析指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證、修正分析。

　　2.2.2對于企業(yè)而言

　　(一)CAE知識平臺的建立

　　在分析流程中形成統(tǒng)一規(guī)范的知識平臺，在平常的設(shè)計中，很多零件的差別十分細(xì)微，但差之毫厘，可能謬之千里。企業(yè)如果能建立一個不同結(jié)構(gòu)零件設(shè)計和分析的標(biāo)準(zhǔn)流程，并將其規(guī)范和固化下來，后續(xù)的設(shè)計分析工作就能事半功倍：

　　①減少工作量和成本。對關(guān)鍵零部件或結(jié)構(gòu)的CAE分析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，將最合理的方法記錄下來并形成規(guī)范，在開發(fā)同類的新零件時，可以有效減少反復(fù)試驗(yàn)和分析耗費(fèi)的時間，減少工作量，節(jié)約成本。

　　②減少了人員變動和流動對企業(yè)的損失。如果有工作人員離開，后面的接替人員也可以比較方便的繼承前人的經(jīng)驗(yàn)，使得知識和經(jīng)驗(yàn)保留在統(tǒng)一的平臺上，可避免人員流動給企業(yè)帶來的損失。

　　③降低差錯幾率。CAE是需要實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來驗(yàn)證的，一方面，通過這個平臺積累下來的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，CAE也減少了驗(yàn)證程序;另一方面，通過收集別的企業(yè)已經(jīng)驗(yàn)證過的，和國外已經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，綜合到這個平臺里，也能省去一些驗(yàn)證工作。從而保證了結(jié)果的精準(zhǔn)，這樣從問題入手，能夠減少產(chǎn)品因零件所出的差錯。

　　傳統(tǒng)的CAE的操作模式、工作模式一直處于個性化的狀態(tài)，這種個性化對知識的傳承和流程的標(biāo)準(zhǔn)化帶來很大的障礙，CAE直到今天技術(shù)門檻仍然很高，這其中知識難以傳承和工作流程沒有標(biāo)準(zhǔn)化是很重要的因素。當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)沒有標(biāo)準(zhǔn)化的時候，就很難形成產(chǎn)業(yè)，對企業(yè)來說，成為生產(chǎn)線技術(shù)是最為理想的，這些都是目前CAE面臨的問題，是CAE發(fā)展的瓶頸。

　　因此，企業(yè)如何建立自己的虛擬仿真規(guī)范和知識庫，實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真知識的捕捉和重用，如何將經(jīng)驗(yàn)豐富的分析專家的仿真知識和仿真流程傳承給新入門的分析工程師，是企業(yè)真正應(yīng)用好CAE技術(shù)的關(guān)鍵。

　　(二)仿真數(shù)據(jù)管理

　　在虛擬仿真的過程中，生成了海量的、不同類型的仿真文檔和數(shù)據(jù)，對應(yīng)不同的分析結(jié)果，那么這些數(shù)據(jù)應(yīng)該如何進(jìn)行管理?

　　企業(yè)在感受到CAE技術(shù)的應(yīng)用對產(chǎn)品研發(fā)帶來的好處后，也逐步意識到CAE軟件產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)需要完善的管理，而以種類多、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)著稱的CAE數(shù)據(jù)是否能夠很好的被PDM所管理也為諸多的PLM、CAE廠商提出了新的挑戰(zhàn)。

　　雖然在幾年前就已經(jīng)提出了仿真數(shù)據(jù)管理，但要真正的把仿真數(shù)據(jù)管理好還需要經(jīng)歷一個過程。因?yàn)榉抡鏀?shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)是不能在現(xiàn)有的信息鏈上產(chǎn)生出另外一個“信息孤島”，所以說如何有效管理仿真文檔，如何建立分析文檔與產(chǎn)品模型的對應(yīng)關(guān)系，是CAE技術(shù)深化應(yīng)用必須解決的問題。

　　2.3CAD/CAE軟件的一體化

　　CAD與CAE技術(shù)的相互融合、相互滲透已成了企業(yè)用戶一種自發(fā)的有效需求。在新型CAD/CAE設(shè)計分析一體化技術(shù)產(chǎn)品的幫助下，工業(yè)化研發(fā)、設(shè)計實(shí)現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計到計算機(jī)輔助設(shè)計的轉(zhuǎn)變。而CAD/CAE一體化技術(shù)的出現(xiàn)，也使得工業(yè)流程得到了縮減，研發(fā)、設(shè)計過程基本融合，可大大縮短產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　目前CAD市場中的主流軟件中都有著CAD/CAE設(shè)計分析一體化的解決方案，Catia的應(yīng)力分析(GPS)模塊、機(jī)構(gòu)設(shè)計運(yùn)動分析模塊(KIN);SiemensNX的NXNastran;Pro/E的Pro/Mechanical;SolidWorks的Simulation模塊等。

　　而設(shè)計分析一體化是目前所有CAD公司追求的一個主要目標(biāo)，其核心意圖就是為了實(shí)現(xiàn)在設(shè)計過程中，充分考慮產(chǎn)品的性能和優(yōu)化，提升產(chǎn)品質(zhì)量和改善產(chǎn)品性能。而CAD/CAE技術(shù)緊密的結(jié)合在一起則已經(jīng)成為了CAE技術(shù)一個非常重要的發(fā)展方向。

　　2.4高性能計算

　　計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展帶動了CAE技術(shù)的發(fā)展步伐，而仿真技術(shù)如何跟上計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展。多核CPU、GPU、工作站等硬件技術(shù)發(fā)展迅速，為CAE技術(shù)提供了一個非常堅實(shí)的后盾。充分利用多核CPU、HPC、并行計算等新興技術(shù)提高虛擬仿真的分析效率、減少計算時間，將會是CAE技術(shù)一個非常重要的發(fā)展方向。

　　目前，各大CAE軟件廠商如ANSYS、MSC、DSSIMULIA、Altair等都已經(jīng)逐步的把高性能計算技術(shù)結(jié)合到軟件中。相信在不久的將來，計算機(jī)硬件與軟件技術(shù)良好的結(jié)合后將會把虛擬仿真的運(yùn)算速度提升到一個新的高度。

　　而為了跟上計算機(jī)硬件高速發(fā)展的步伐，新型的高精度和高效率并行算法正被研究，一些實(shí)用的新算法將不斷問世。而新的算法在對復(fù)雜的工程或產(chǎn)品仿真時，能夠充分發(fā)揮超級并行計算系統(tǒng)的軟、硬件資源，高效率和高精度地獲得計算結(jié)果。

　　但是，計算速度與計算精度之間存在的矛盾是難以融合的，想要提高計算速度就必然要以犧牲精度為代價，這不僅僅是軟件、硬件所能夠解決的問題，說回來還是需要CAE工程師能夠在仿真過程中有足夠的分析經(jīng)驗(yàn)與判斷能力，在計算速度與計算精度之間調(diào)節(jié)出一個最為適合企業(yè)應(yīng)用的方案。

　　3.結(jié)語

　　CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢可以概括為，采用最先進(jìn)的信息技術(shù)，吸納最新的科學(xué)知識和方法，擴(kuò)充CAE軟件的功能以提高其性能。

　　而三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析以及適應(yīng)于超級并行計算機(jī)和機(jī)群的高性能CAE求解技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，為CAE軟件的功能、性能和技術(shù)方面不斷增加著砝碼。

　　總之，CAE行業(yè)正處于一個快速發(fā)展、成長時期，而一項(xiàng)新的技術(shù)從提出到應(yīng)用再到產(chǎn)生效益總有一個成長的過程。尤其是在起步階段，還特別需要各個方面的重視和支持，只有這樣，才能共同把這項(xiàng)工作做好。