1.CAE技術(shù)的發(fā)展

　　計算機輔助工程(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、強度與壽命評估、運動/動力學(xué)仿真，驗證未來工程/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、缺少實踐經(jīng)驗、CAD與CAE的集成、仿真數(shù)據(jù)管理分散、計算機硬件與軟件結(jié)合以及計算速度等諸多實際問題和挑戰(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年代初個人計算機剛剛誕生時，通過各種命令來進行操作的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，所以，在DOS操作系統(tǒng)下計算機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，計算機的普及速度達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軟件進行分析時，由于知識和經(jīng)驗的差異，在進行模型簡化、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)品進行仿真分析的經(jīng)驗積累也是必不可少的。CAE技術(shù)始終是從實踐中來，在到實踐中去的東西，沒有大量的實踐經(jīng)驗，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，因為沒有哪個理論現(xiàn)在能完全的解釋現(xiàn)實中的問題。

　　總之，CAE軟件分析只是一種作為參考的依據(jù)，具體還要到實驗中驗證，并且由分析指導(dǎo)實驗，實驗來驗證、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)果進行檢驗，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)試驗和分析耗費的時間，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，使得知識和經(jīng)驗保留在統(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是需要實際經(jīng)驗來驗證的，一方面，通過這個平臺積累下來的技術(shù)和經(jīng)驗，CAE也減少了驗證程序;另一方面，通過收集別的企業(yè)已經(jīng)驗證過的，和國外已經(jīng)驗證的數(shù)據(jù)，綜合到這個平臺里，也能省去一些驗證工作。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，實現(xiàn)對虛擬仿真知識的捕捉和重用，如何將經(jīng)驗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。因為仿真數(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)計實現(xiàn)了從經(jīng)驗設(shè)計到計算機輔助設(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、機構(gòu)設(shè)計運動分析模塊(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，計算機硬件與軟件技術(shù)良好的結(jié)合后將會把虛擬仿真的運算速度提升到一個新的高度。

　　而為了跟上計算機硬件高速發(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，采用最先進的信息技術(shù)，吸納最新的科學(xué)知識和方法，擴充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、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)于超級并行計算機和機群的高性能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，才能共同把這項工作做好。