CAE简介

2CAE简介
作为国内工业界推广应用CAE的基础，有必要简要介绍CAE的概念、应用、分析过程、作用及发展趋势。

一方面，对CAE有初步的又是较系统的认知，另一方面，在了解国际范围内CAE应用的历史和现状的基础上，CAE的各类用户可以对自身目前CAE的应用进行多视角的比较。

2.1 CAE的基本概念、特点及作用
广泛地说，CAE可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是目前通常所说的CAE主要指用计算机及其相关的软件工具对工程、设备及产品进行功能、性能与安全可靠性进行分析计算、校核和量化评价；对其在给定工况下的工作状态进行模拟仿真和运行行为预测；发现设计缺陷，改进和优化设计方案，并证实未来工程、设备及产品的功能和性能的可用性和可靠性。

一般地，CAE在工程应用上的定义为：CAE是一种在二维或三维几何形体（CAD）的基础上，运用有限元（FE）、边界元（BE）、混合元（ME）、刚性元（RE）、有限差分和最优化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。

其核心技术为有限元与最优化技术。

CAE的特点是以工程和科学问题为背景，建立相应的计算模型并进行计算机仿真分析。

一方面，CAE技术的应用，使许多过去受方法和条件限制无法分析的很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题，通过计算机数值模拟可得到满意的解答；另一方面，CAE使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，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、新产品的开发以及对已有产品的故障分析等方面发挥了重要作用。

同时，CAE技术的迅速发展和应用又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。

还应客观地说明，在产品开发中，由概念设计、初步设计、详细设计到试验，再修正设计，再试验，直到满足产品要求，试验一直是不可或缺的。

CAE仿真分析技术的引入也许永远不能彻底消除这一既费时又费料的环节，但是已经被成功应用，最大限度地减少或缩短了这一环节。

CAE与CAD / CAM／CAPP／PDM / ERP的方法、技术和相应的软件一起，已经成为企业家和工程师们实现工程/产品创新的得力助手和有效工具，掌握它们并加以合理有效的应用，将形成企业核心创新能力的有力支撑，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市
场竞争能力。

在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。

国际工程界普遍认为，工程和制造企业的生命力在于工程/产品的创新，而对于工程师来说，实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要的技术手段之一，就是采用先进可靠的CAE软件和CAE分析方法与过程。

国内工程界也逐步对CAE的作用有了共识。

认识到 CAE是一种迅速发展和应用中的综合信息技术，是实现重大工程和工业产品的计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计的重要的工具和手段。

工程和产品创新为CAE 发展提供了强大的动力，信息技术的飞速发展为CAE技术的提升提供了技术基础。

国家大型设计研究院所，包括冶金设计院所（如中冶赛迪、中冶京诚、中冶南方、中冶东方等）也认为CAE在复杂系统的工程和设备计算分析方面将成为最核心的技术和手段。

国内外的实践表明，在影响CAE发展和应用的诸多因素中，人才、计算机硬件和分析软件是三个核心的要素。

装备性能优良的计算机及其相关系统，选择高效适用的前后处理和求解分析软件，以及拥有对分析对象有深刻了解并较熟练的掌握了CAE技术的专业设计及分析人员团队，是一个创新型企业具备CAE技术和专业领域应用能力的基础和必要条件。

一个复杂机械设备系统的研发、设计、性能评价和故障分析过程中，CAE起着目前尚无其他的解析或经验分析计算能替代的作用，它可以在零件、部件系统及整机三个层面上进行仿真、计算与分析。

一个多参数的工艺或制造过程的仿真模拟、力能计算和参数优化中，也可得到对象局部、相互关系和全域的结果。

更具体地，计算机辅助技术已经成为可由工程师掌握的现代设计方法的主要手段和工具，而其中的CAE技术又成为现代设计流程的核心，因为CAE具有以下功能和作用：
(1) 应用数学模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性和设计指标的准确性；
(2) 采用各种优化技术，在可行域中找出产品设计最佳方案；
(3) CAE所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个使用周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性；
(4) 模拟各种试验方案，减少过去所需的试验次数和时间，缩短设计周期，降低开发成本；
(5) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；
(6) 进行工程或设备事故分析，查找事故原因；
(7) 知识的获取是现代设计的关键，只有CAE才能真正提高设计者的知识技能，而其他手段通常都只能起到使设计者工作更顺手、能更好地表达设计意图等
作用，较少增加关键知识。

比如，一个复杂设备系统振动模态振型是很难想象出来的，通过CAE的振动模态分析并动态显示振型及其能量分布结果，设计者可较准确且直观地获取振动形态以及哪个或哪些零部件对设备系统整体的振动影响较大的关键知识，从而可进一步改进设计，提高设备的动态性能。

2.2 CAE的发展及应用现状
在工程界，特别是从设计及制造业应用的层面来看，衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。

我们主要从这个角度出发，简要回顾CAE 的发展，并通过一些典型实例，介绍它目前的应用状况。

2.2.1 CAE的发展历程
从应用数学和应用力学的角度考虑，CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自1943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解St.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念。

1960年Cough在求解平面弹性问题的过程中第一次提出了有限单元法的名称。

直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，作为CAE的核心的有限元理论依靠数值计算方法，才在实际应用中迅速发展起来。

1960～1970年，有限元的理论及其相关的数值方法处于发展阶段，分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题，又由于当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点，CAE软件处于探索时期。

1963年Macneal-Schwendler Corporation （MSC）公司成立，开发了第一个结构分析软件SADSAM。

MSC于1965年和美国计算科学公司、贝尔航空系统公司一起参与美国国家航空及航天局 (NASA) 发起的NASTRAN有限元分析系统的研究和开发，在1972年以后独立地拥有并商业运作MSC.Nastran.。

1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab (后并入I-DEAS) 。

1970年Swanson Analysis System，Inc. (SASI) 成立，后来重组后改称ANSYS公司，开发ANSYS软件。

当时世界上的这三大CAE公司先后完成了组建工作，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。

1970～1980年代是CAE技术蓬勃发展的时期，一方面SDRC，MSC，ANSYS等在技术和应用继续创新外，新的CAE商业软件公司迅速成立。

1971年Marc 公司成立，致力于发展用于高级工程分析的通用有限元程序，Marc程序重点处理非线性结构和热应力问题。

1977年Mechanical Dynamics Inc. (MDI) 公司成立，其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。

1978年Hibbitt
Karlsson & Sorensen, Inc.公司成立，其ABAQUS软件主要应用于结构非线性和接触问题分析。

1983年CSAR成立。

其CSA/nastran主要针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。

1983年AAC成立，其程序COMET主要用于噪声及结构噪声优化等领域。

Computer Aided Design Software，Inc的PolyFEM软件包提供线性静态、动态及热分析。

1986年ADINA公司组建，其软件亦为结构、流体及流固耦合的大型通用有限元分析软件。

1987年Livermore Software Technology Corporation成立，其产品LS-DYNA及LS-NIKE30用隐式上算法求解低高速动态特征问题。

1988年Flomerics公司成立，提供用于带脑子系统内部空气流及热传递的分析程序。

1989年Engineering Software Kessemochand Development 公司成立，致力于发展Ｐ法有限元程序。

同时期还有多家专业性软件公司投入专业CAE程序的开发。

这一时期的CAE发展的特点：软件主要集中在计算精度、速度和硬件平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。

有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功，从力学模型开始拓展到各类物理场(如温度场、磁场、声波场)的分析；从线性分析向非线性分析(如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。

出现了许多著名的分析软件如Nastran，ANSYS，ADINA，SAP系列，DYNA-3D，ABAQUS，NIKE3D与WECAN，BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等。

除美国之外，德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS等欧洲公司纷纷推出自己的CAE软件产品。

使用者多数为领域专家且集中在航空航天、汽车及军事等领域。

这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。

上世纪90年代直到现在，是CAE技术的成熟并为工业界广为接受和应用的时期。

这一时期，CAD经过多年的发展，经历了从线框CAD技术到曲面CAD技术，再到参数化技术，直到目前的变量化技术，为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。

CAD软件开发商一方面大力发展自身CAD软件的功能，如世界排名前几位的CAD软件CATIA，CADDS，UG，I-DEAS，Pro/E都增加了基本的CAE前后处理及一般的线性、模态分析功能，可在零件水平上设计的同时进行初步的分析，另一方面，通过并购另外的CAE软件来增加其软件的CAE功能。

最近的一个例子是，Dassault Systems（CATIA的开发商）在2005年继收购了碰撞分析的专用CAE 软件Radioss后，又斥巨资收购了ABAQUS，并宣称将在2006年推出完全无缝的CAD/CAE集成虚拟设计平台，此举已在2007年，从而使得CAD和CAE实现无安全无缝对接并基于同一个虚拟设计平台上的交互。

在CAD软件商大力增强其软件CAE功能的同时，各大分析软件也在向CAD靠拢。

CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口，并增强软件的前后处理能力。

如MSC.Nastran先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。

同样ANSYS也在大力发展其软件的
ANSYS/Prepost前后处理功能，相继开发了ANSYS与PRO/E、UG、CATIA的接口，可以直接读取这些CAD软件的几何模型。

而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能强大的优势，积极开发与别的CAD模型传输接口，先后投放了Pro/E to I-DEAS，CATIA to/from I-DEAS，UG to/from I-DEAS，CADDS4/5 Solid to/from I-DEAS 的前后处理功能，以保证CAD/CAE的相关性。

这一时期的CAE软件一方面与CAD 软件紧密结合，另一方面扩展CAE本身的功能。

MSC在1994年收购了Patran作为自己的前后处理软件后，接连将SSC、AR、MARC，ADAMS等纳入旗下，现在已拥有十几个产品，包括用于高度非线性瞬态动力问题的MSC. Dytran等。

ANSYS 也把其产品扩展为ANSYS/Mechanical，ANSYS/LS-DYNA，ANSYS/prepost等多个应用软件。

而SDRC则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了耐用性、噪声与震动、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等专项应用技术，并将有限元技术与实验技术有机地结合起来，开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。

2.2.2 CAE 在国外的某些应用
在工业发达国家， CAE已广泛应用于工业界的各个行业，如汽车、航空航天、舰船、重型机械、精密机械、土木建筑、化工、水利、材料、电力和电子及某些制造行业。

借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15周)完成一个紧凑型家庭轿车（Compact Family Car）全尺寸模型的设计、验证和制造。

通过使用非线性仿真软件MSC.Dytran和MSC.Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。

美国空军的研发人员对战斗机YF-23采用CAE中的计算流体力学（CFD）进行气动设计后比前一代YF-17减少了60％的风洞试验量。

目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。

美国著名的Rockwell自动化公司利用目前世界上唯一的电磁场CAE专用软件Ansoft，集成分析和设计电机驱动器，使得原来由电子工程师、电气工程师、动力工程师、机械工程师、控制工程师、技术员组成的10～12人的研发队伍下降到5～6人，研发费用从150万～200万美元降至100万左右，研发时间由1年半～2年缩短为6个月，取得了极为显著的技术经济效益。

Altair公司采用虚拟设计和虚拟试验平台，应用其旗下的CAE工具软件Optistruct的拓扑形状优化技术和最佳质量分布技术，使空中客车超型机A380
的机翼装配系统减少500kg 重量且提高了性能指标 [7]。

这一CAE仿真机优化设计结果正在2006年第一批A380的生产中得到具体体现。

以整个工业界而言，飞机制造和汽车制造业是 CAE应用最为成熟和深入的领域，所有国际上著名的飞机和汽车厂商以及他们的一级(Tier 1)零部件供应商都有专门的CAE部门，在耐久性、振动与噪声、碰撞与安全性、CFD、热分析以及冲压成型等方面分析零件、系统和整机的运行行为和性能。

可以毫不夸张的说，现代的飞机、汽车的研发和设计已离不开CAE全面深入的应用。

以福特汽车公司为例，它在90年代初就形成了概念研究（Conception Research）→高级工程中心（Advanced Engineering Center, AEC）→产品开发中心（Product Development Center， PDC）→当前生产（Current Production）的新车型研发序列, 在前三个环节中，针对不同的设计阶段，按分析类型，不同的CAE部门针对不同的车型开发平台负责专门的分析工作，并有内部的CAE分析规范，包括设计目标值、分析的时限控制，模型质量要求、各种标准的约束和载荷工况、分析报告的形式和要求、与CAD以及试验的交互和相关性要求等。

对于碰撞与安全性分析，还必须满足美国高速公路管理局强制要求的碰撞工况模拟分析和设计标准。

在钢铁冶金行业，CAE也有许多成功应用的实例。

美国的INTEG process group研制的INTEG Hot Strip Mill Model (HSMM)，是一个可在PC机上离线仿真模拟板带热轧（包括可逆式轧机和连轧机）过程的CAE专用软件，用以预测轧制温度变化、轧制力/力矩、轧件最终的机械性能，甚至轧件微观结构的变化。

Metal Pass LLC 利用成型仿真CAE专用软件Autoform 和Freeform 作为求解器，二次开发出专用于型钢多道次轧制的孔型设计CAE软件包。

ABAQUS公司和英国最大的轨梁钢制造商Corus公司共同开发出集成的用于多道次长钢轨轧制过程模拟仿真的CAE分析系统，用于稳定轧制、各道次之间轧件温度瞬态变化、塑性应变/应力变化等轧制过程参数的计算及预报。

ABAQUS强大的非线性和接触问题功能也被用于仿真模拟冷轧机和平整机的轧制过程这类”热接触“的热-固偶合的问题 [8]。

CAE技术相当广泛地用于连续铸钢过程，对这种热-流-固耦合的复杂过程的建模、仿真和工艺参数优化已能做到在线控制（如对二冷段的动态控制）和离线模拟（以深入理解过程各工艺及控制参数的变化），达到了工业实用化的阶段。

在日本和欧洲，CAE在轧制过程仿真及轧钢设备的设计方面的应用已有近20年的历史，这方面CAE现在已成为规范化、过程化的仿真设计计算手段。

基于轧制过程的非线性特点，Marc Analysis Research Corp. 在欧洲将其作为非线性有限元技术的重点应用对象。

2.3 CAE的工程应用问题类型
从第一个商业化的CAE工具软件问世开始，经过近五十年的发展和实践，CAE技术和分析过程现已可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上实现。

目前国际上先进的CAE软件，以工程分析问题分类，已经可以对工程、设备产品及某些制造工艺过程进行如下的性能分析、预报及运行行为模拟：
耐持久性分析（Durability）：强度，刚度，稳定性，疲劳，断裂，损伤，弹性及塑性接触问题等。

振动与噪声分析（NVH）：固有模态分析，工作模态分析，模态参与因子分析（MPF)，频响特性，传递函数，谱分析，时域特性，动应力，屈曲动力特性，声压及分布，声波传递，声源重构等。

一般动力学分析（Dynamics）：多体刚体动力学，轨迹分析，运动及动力参数设计与优化等。

碰撞性能及安全性分析（Crashworthiness/Safety）：运载系统正撞、侧撞、后撞（追尾）等。

计算流体动力学（CFD）：常规的管内和外场的层流与端流分析，多相流，流体及质量传导，紊流/湍流分析、流/热耦合、流-固耦合分析等。

热分析（Thermal analysis）：热传导分析，温度、膨胀、热应力，对流和辐射状态下的热分析，相变分析，热-结构耦合分析
成型制造过程仿真与模具设计：冲压，铸造，缎造，轧钢过程等；厚度变化及分布，应变变化及分布，FLD分析等；成型过程及模具设计优化等。

电磁场和电磁元器件的设计与优化：传感器，驱动器，电机，电磁阀，变压器，电感电抗器等；电磁场、电流及电压行为分析、压电行为分析和电磁-结构耦合分析等。

从数学和力学的观点来看，目前优秀的大型通用CAE软件能解决的问题包括线性、拟线性、非线性、弹性、塑性，弹塑性、粘弹/粘塑性以及各种耦合和综合问题。

2.4 CAE分析的一般过程
2.4.1 单个的CAE分析过程及步骤
图1描述了基于对象的一次CAE分析的过程和步骤。

根据经验，一个具体的CAE分析过程的各阶段所用的时间为：60%～75%用于模型的建立和数据输入，15%～30%用于分析结果的判读和评定，而真正的仿真分析和求解计算时间只占10%左右。

图1具体项目的CAE分析过程及步骤
2.4.2 完整的工程设计CAE分析流程
图2给出了基于完整工程设计，与CAD交互的CAE分析的过程和步骤。

在CAD设计之初就用仿真驱动设计以及用户积累自己的仿真规范，是当前国际上CAE在企业应用中的两个发展趋势，国内有关设计院所及有关企业应予以充分注意。

实际上, 在通常的设计项目中，设计工程师更多时候是凭借自己的经验去判断设计是否可行。

就算是用了一部分CAE工具的制造企业，其设计与仿真分析的步骤常规上也只是设计师先有想法，然后再请分析师分析。

但实际上效率更高的流程应该是，设计师在有想法的同时，可以自己通过一些CAE工具初步分析设计
的可行性, 从而在CAD设计阶段就能够利用CAE的能力。

这也是此类工具的应用趋势之一。

CAE不单纯是CAD的后端分析过程，CAE也应该是CAD的前端，用仿真去驱动设计才更合理, 使两者在研发的全程都能为设计或工艺过程的预期目的而协同交互。

另一方面，CAE实际上是对真实物理环境的仿真，利用CAE环境，用户可以进行各种虚拟的试验，然后再将分析结果体现在CAD设计中，从而省去了实物试验的昂贵代价。

它与真实环境的贴近程度最终取决于所使用的模型，每个分析人员都希望使用非常精确的模型，不过太精确的模型计算工作量又太大、可行性不高，于是只能牺牲某些特征放粗模型的网格，但同时必须确保留住关键特征，在多次取舍和修正之后，得到一个较为贴近真实的模型。

这才是在实际应用中CAE 模型的获得过程。

如果在CAD设计之初就融入CAE的思想，显然更容易得到更合理的设计以及更理想的CAE分析结果。

随着CAE模型的积累，设计及制造企业最终将形成自己的仿真规范。

过去CAE厂商为用户提供的服务通常是点对点的项目咨询，主要工作仍然集中在工程分析上，剖析具体问题，并提出解决方案。

而现在帮助用户积累自己的仿真规范也成为CAE服务支持的重要方面。

仿真规范在用户之间是相互封锁的，如通用、福特、戴姆勒•克莱斯勒等汽车公司，它们在自己多年积累的基础之上逐渐形成自己的仿真规范，虽然相互之间会有泄漏现象，双方可能会相互借鉴，但不可能相互替代, 并由此形成自身企业独特的核心创新能力的重要组成部分。

图2完整的工程设计CAE分析流程
2.5国际上常用和主流的 CAE软件
CAE软件发展到今天，其理论和算法日趋成熟；其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户介面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。

2.5.1国内外工程界对目前CAE软件的若干基本看法
•CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。

•针对特定类型的工程/产品或特定行为及功能所开发的用于产品性能分析、预测和优化计算的软件，称为专用CAE软件。

•可以对多种类型的工程/产品的多方面行为进行计算分析，模拟仿真，性能预测、评价与优化的软件，称为通用CAE软件。

•CAE技术已经成熟，CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决。

•CAE软件的计算分析与模拟仿真能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库包含的单元类型越多，材料库包括的材料特性种类越全，其对工程/产品的分析与仿真能力就越强
•CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库；如果解法库包含了各种不同类型的高性能求解算法，那它就会对不同类型、不同规模的问题，以较快的速度和较高的精度给出计算结果。

附带指出，目前的CAE软件，都仅限於宏观物理、力学模型的工程和产品分析，虽然有少数软件涉足了微机电系统分析（如ANSOFT），但其物理力学模型尚存在一定问题。

值得指出的是，对于多物理场的强耦合问题、多相多态介质耦合问题，特别是多尺度模型的耦合问题，目前尚处於基础性前沿研究阶段。

但是，它们已成为国内外CAE的进一步发展的重点研究课题，由於其强烈的工业需求背景，基础研究的任何突破，都会被迅速纳入CAE软件，不久的将来，将形成从材料性能的预测、仿真，到构件与整个产品性能的预测、仿真，集计算机辅助材料设计制备，到工程或产品的设计、仿真与优化於一体的新一代CAE集成分析系统。

这方面的内容已超出本咨询项目的范围，不作赘述。

2.5.2 主流CAE软件工具简介
常用的CAE软件如表1所示。

可以看出，目前在CAE分析过程中所采用的国际上公认的商业软件的大部分出自美国的CAE软件厂商。