cae技术的现状和未来发展（浅析CAE作用及主流CAE软件）

CAE(Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。

01 CAE到底是什么

CAE（Computer Aid Engineer，计算机辅助工程）。按中国话的语法习惯，“计算机辅助工程”是不太容易理解的，工程有什么好辅助的呢，这里可以换一种说法：“计算机辅助工程计算”，是不是觉得好理解了些呢。将CAE理解为计算机辅助工程计算，以与计算机辅助工程设计（CAD）相区分，以避免混淆。

又有人问了：“工程计算指的是什么？工程上有什么需要计算的？设计完了不就OK了么？”

那么我要问了：“设计的出来的各种数据是凭空想象出来的么？产品的长宽高、材料的性能要求、加工装配要求等等各种要求是拍脑袋得到的么？难道不需要计算？”。因此在工程上，CAE所做的计算工作是用于产品设计的，是为产品设计服务的。(在科学研究上，CAE有另外的用途，后面再说。)

在产品设计的前期、中期及后期，都有可能会应用到CAE。在前期，CAE主要用于概念设计；在中期，CAE主要用于优化设计；在后期，CAE主要用于性能校核。CAE的位置越靠前，对产品设计越有利。很不幸的是，目前我们国家CAE的应用大部分用于产品设计末期，上述用得好的企业可能用于中期。

总结：CAE是一种利用计算机解决工程设计中的计算问题，并利用计算结果数据指导工程设计的方法及手段。

有限元只是一种数学方法，其全称是“有限单元法”，是一种求解偏微分方程的数值方法。其实此类的方法很多，除了有限元法外，还有诸如有限体积法、边界元法、谱方法等等，多达N种，数都数不清。就拿有限元应用最广泛的结构应力计算领域来讲，实际上可以计算结构应力的数学方法很多，有限体积法和边界元法都能做这事儿，而且最近闹得比较火的无网格法、格子-波兹曼方法也可以解决这类问题。实际上结构应力计算就那么个偏微分方程，不管用什么方法，目的都是为了求解那个方程而已。

之所以很多人将CAE误认为是有限元，分析原因可能在于：

(1)目前CAE的一大块应用领域在于结构应力计算，而目前结构应力计算的主流方法是有限元法。

总结：CAE是一种工程技术手段，而有限元只是CAE所使用的众多数学方法中的其中一种数学方法。

02 CAE能干些什么

CAE能干很多的事情。粗略来说，CAE可应用于以下一些领域：

结构应力计算。这是一个很常见的CAE应用领域，包含的范围及其广泛。常规计算包括静力学计算、模态计算、谐响应分析、谱分析、随机响应分析，更复杂的还包含疲劳计算、裂纹扩展分析等等。

流体流场计算。流体计算是CAE另外一个重要的应用领域。流体计算通常包括常规的流动计算、传热计算、多相流计算、化学反应及燃烧等等。

电磁场计算。其中高频电磁场与低频电磁场又分别包含有不同的计算内容。

声学计算。气动声学与振动声学是两个主要的声学计算领域。

多体动力学计算。机械领域应用相当多的场合，主要用于分析机构在运动过程中的速度、加速度等物理量。

光学计算。（对此领域不熟悉，不过的确是一个很大的CAE应用领域）

多物理场耦合计算。以上各种计算搅和在一起，随着计算机性能的不断增强，越来越多的工程问题可以考虑多物理场耦合计算。

系统仿真。（此领域不怎么熟悉，不过也是一个大的CAE应用领域）

优化设计。工程优化问题通常涉及到大量的数值计算，同时优化设计还需要配合实验设计。

当然可能还有很多其他的领域并未包含进去，不过应该说是包含了大部分的领域。CAE包含的范围实在是太广泛了，因此单纯的去提CAE能干什么，并不是一件很理智的事情。经常有网友在群里问"学CAE要看那些书籍？"，对于此类的问题，真真是没有答案的。

总结：CAE的应用范围及其广泛，不讲领域而单纯的去讲CAE的话题是没办法继续下去的。

03 人在工程CAE中的作用

之所以会有这么一说，其实是源于群中问得最多的一个问题“搞CAE到底是否有前途”。要分析搞CAE是否有前途，那么就必须要弄清楚人在CAE中所起的作用。

随着计算机性能的不断提高，以及人工智能技术的不断发展， 很多人担心自己的饭碗会被计算机抢走，对于只会操作CAE软件的人尤为如此。你想嘛，点鼠标谁不会呢，计算机似乎比人类更擅长，不是吗？

但真实的情况应该是怎样的呢？真正的CAE人员会被人工智能取代么？人脑在CAE中应当处于什么地位？

在谈论这个话题之前，还是强调一点：CAE计算的目的不是为了得到一堆数据或花花绿绿的图片，而是为了发现问题和解决问题。

将来不敢说，不过就目前以及近几年来讲，计算机还只是一个死物。人工智能还远没有发展到使计算机能从复杂的现实世界中抽象出物理模型，以及将CAE计算结果应用到物理模型改进上。举个简单的例子。比如说一个苹果从树上掉下来了。当前的人工智能技术足以使计算机识别到这一现象，但也仅此而已，计算机并不会知道是什么原因导致苹果从树上掉下来。计算机可以识别到苹果下落的速度，但计算机不会知道该如何去控制苹果的下落速度。

工程CAE也是一样，人在其中所起的主要作用我觉得无外乎这两个：

其一：告诉计算机现象背后所涉及到的物理模型。

其二：利用计算机提供的计算结果找寻规律或指导设计。

有一类CAE从业者容易被人工智能取代。一种是纯粹的软件操作工。只会操作软件，不管物理现象背后的理论背景，不知道如何选择合适的计算模型，得出了计算结果也不会利用。这类人在当前CAE使用者中占了多数，他们熟悉各种前后处理软件以及求解器的操作，但是很遗憾，你点鼠标的速度再快也绝对快不过计算机的。

总结：骚年，CAE软件操作并不等同于CAE，单纯的软件操作工是混不长久的。

04 CAE从业者需具备哪些基本素质

• 熟悉自己所从事领域的物理理论背景。搞结构静力学计算的肯定要了解弹塑性力学，搞CFD计算的肯定要了解流体力学。这是最基本的素质。否则可能会沦为软件操作工，在不久的将来被人工智能抢了饭碗。
• 熟悉本领域CAE处理流程。标准流程很重要，能够保证效率以及结果质量。
• 学习能力。学习能力的重要性，我想不需要多说了。
• 协作能力。CAE涉及领域越来越广，一个人精力有限不可能精通所有的领域，因此与其他人的协作能力很重要。
• 良好的思维习惯。

ABAQUS

如果要给ABAQUS贴一个标签，那么毫无疑问是“非线性”这个词。虽然ABAQUS是以“高端通用有限元系统软件”的姿态出现的，但是它的王者之气明显存在于非线性分析领域。ABAQUS长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题，不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，其系统级分析的特点相对于其他分析软件来说是独一无二的。

ABAQUS为业界赞誉的“分析功能全面”这一特点也是在非线性部分才表现得特别突出。比如说，用ANSYS进行结构非线性计算的时候，总要进行很多参数的设置，也比较容易不收敛，而ABAQUS却无需这方面的担忧；ABAQUS解决岩土、混凝土等的非线性问题比MARC要好，光本构就一大堆，而且例子也多，而ANSYS岩土能力为零。另外它的先进的软件设计思想、严密直观的系统，以及多载荷步的计算和规划也是值得大家点赞的。

需要指出的是，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3D。它最大的缺点是上手慢，也没有看到什么read friendly的教程。

ANSYS

ANSYS软件是一款大型通用有限元分析软件，之所以这么说是因为它的模块很多（但是它们核心的计算部分变化不大），这些模块是在收购很多很牛掰的软件后整合形成的。目前ANSYS融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的，擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析,对于流体分析，电磁分析，瞬态动力学分析已经很强大,在铁道，建筑和压力容器方面应用较多。

它的明显优势在多场耦合，尤其是物理场耦合。至于热分析则很一般，对于岩土结构的静力学计算也不是很强悍。另外值得一提的是ANSYS的apdl语言非常高级，这也是非常多工程师喜欢使用这款软件的原因之一。

目前ANSYS又推出了ANSYS16.0软件，在结构、流体、电磁、多物理场耦合仿真、嵌入式仿真各方面都有发展，我只能说，为了仿真ANSYS也是蛮拼的。

LS-DYNA

LS-DYNA由LSTC公司开发，是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，也是公认的计算冲击，碰撞问题的很牛的软件。LS-DYNA最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由J.O.Hallquist主持开发完成的，主要目的是为核武器的弹头设计提供分析工具，后经多次扩充和改进，计算功能更为强大。

虽然该软件声称可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题，但实际上它在爆炸冲击方面，功能相对较弱，其欧拉混合单元中目前最多只能容许三种物质，边界处理很粗糙，在拉格朗日——欧拉结合方面不如DYTRAN灵活。

DYTRAN

DYTRAN软件由MSC.software公司开发，在同类软件中，DYTRAN在高度非线性、流固耦合方面有独特之处。MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCES;INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体结构相互作用功能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法发展而来的。

但是，由于MSC.DYTRAN是一个混合物，在继承了LS-DYNA3D与PISCES优点的同时，也继承了其不足。首先，材料模型不丰富，对于岩土类处理尤其差，虽然提供了用户材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去；其次，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加；在处理冲击问题的接触算法上远不如当前版的LS-DYNA3D全面。

ADINA

ADINA是近年来发展最快的有限元软件，它独创有许多特殊解法, 如劲度稳定法(Stiffness Stabilization),自动步进法(Automatic Time Stepping),外力-变位同步控制法(Load-Displacement Control)以及BFGS梯度矩阵更新法,使得复杂的非线性问题(如接触,塑性及破坏等), 具有快速且几乎绝对收敛的特性, 且程式具有稳定的自动参数计算,用户无需头痛于调整各项参数。另外值得一提的就是它有源代码，我们可以对程序进行改造，满足特殊的需求。

NASTRAN

NASTRAN是大型通用结构有限元分析软件，也是全球CAE工业标准的原代码程序。NASTRAN系统长于线性有限元分析和动力计算，因为和NASA(美国国家宇航局)的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。

NASTRAN结构分析做得很好，用起来感觉不出与ANSYS有多大的差别。在中国也占领了相当大的用户市场。

ALGOR

ALGOR属于中高档CAE分析软件，在汽车，电子, 航空航天，医学，日用品生产，军事，电力系统，石油，大型建筑以及微电子机械系统等诸多领域中均有广泛应用。它最大的特点是易学易用，界面友好，操作简单，这可以极大提高软件应用者在工程实际中的效率。

Cosmos

COSMOS相对影响比较小，但Cosmos可以说是多物理场分析专家，其最大特点是运算速度飞快快，这是其他软件所不能比拟的。因Cosmos的研发者将收敛的迭代法--又称做快速有限元法导入COSMOS的产品之中，使新的有限元分析软件对磁盘空间上的要求大幅降低，占用计算机系统的内存也大大减少，因此分析速度大幅加快，超越传统甚多。另外COSMOS设置耦合条件也很好，操作也很方便。

HYPERMESH

HYPERMESH被业界人士称为前处理专家。在网格划分方面，恐怕没有哪个软件可与之匹敌。其对网格的精密而底层的控制，令人叹为观止。所以，设若要做几何清理，划分网格，HYPERMESH的确是首选。

汽车领域90%以上的LICENSE是hypermesh nastran。HYPERMESH是万金油，在汽车领域的另外常用搭配是 HYPERMESH ABAQUS也占相当比重。

MARC

MARC 是做非线性很牛的软件，具有极强的结构分析能力。可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。

但是其操作界面用起来很费劲，有自虐倾向的人可能会被虐得很爽。比较一下文件输入和读取这两项：MARC的输入文件要比ABAQUS难读懂，工况的变化也不如ABAQUS灵活。但是，MARC 的求解器速度非常地快，类似的问题要比ABAQUS快几倍。Patran的通用性远比MARC强。它可以产生Nastran，ABAQUS，MARC等所需的文件，也可以读取它们的结果文件。

所以，如果驾驭好了MARC这个任性的小子，还是很可以显摆下你的动手能力的。

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