一篇文章入门计算机辅助工程CAE(上)

之前就有过想写一篇关于CAE的科普文，缘起是看到很多以CAE为标题的文章，内容围绕某一门学科，某一个行业，或者某种仿真软件介绍，有一定的局限性。CAE涉及的领域很广，只深入某个方面讲难以有全局观，泛泛而谈又没有重点。好在写过一系列关于CAE仿真的技术和行业文章，结合笔者十多年的工业软件研发经历，希望本文给读者带来对CAE领域不同的认知和理解。

计算机辅助工程

Computer Aided Engineering，简称CAE，广义上讲，凡涉及到利用计算机解决工程问题，都可以纳入CAE的范畴。在实际应用中CAD，CAM，CFD，EDA, TCAD，CAPP，计算机辅助优化，高性能计算等所定义的范畴和CAE交叉或者紧密相连。

Wiki里对CAE解释道：

CAE在广义上用来描述计算机技术在工程中的使用，而不仅仅是工程分析。该词由SDRC的创始人1970年代后期提出，但是今天通过术语CAx和PLM（Product Lifecycle Management）更好地了解了此定义。

随着行业细分领域的发展，比如EDA，CFD发展出独立的分支，CAE的概念也在逐步弱化和抽象，现在人们通常所说的CAE主要指利用计算机仿真分析来帮助或者解决实际工程应用中的查验，设计，验证，优化等问题。在谈到CAE时，有可能是指CAD，EDA，CFD，TCAD或者结构动力分析，热分析，电磁分析，耦合分析等等其中一种或多种。用某些行业领域或者学科来等价CAE是不太准确的。狭义上的CAE，更多是指利用CAE软件进行仿真优化分析。

文章将分上下两篇，讨论以下几个方面：

1.CAE的地位和作用

2.CAE软件的发展

3.CAE软件的选择和使用

4.CAE国内发展和前景

5.CAE软件的核心技术和未来发展趋势

6. 国内CAE研发的一些想法

1.CAE的地位和作用

CAE在制造业里或者科技领域的地位可以说是举足轻重，更有四两拨千斤的作用。举三个大家都相对熟悉的例子：汽车，航空发动机，芯片。

1.汽车

汽车在设计中有两个很重要的设计点：NVH和风阻。NVH是噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写，这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，能够直观反映出乘坐汽车时的舒适度，汽车公司约有20%的研发费用在解决NVH问题上。NVH问题在汽车的任何部位都可能产生，是一个综合性的问题，所以在设计之初就要考虑到。对于一款没有原型的新车，是无法得到NVH的相关数据的，只能依靠数值计算模拟，也就是利用CAE软件建模，然后仿真分析，模拟可能出现的NVH问题，再生产出原型，加以验证，修改计算机模型，再仿真，如此反复迭代，最终达到一个理想的效果。但事实上因为工艺，零件质量，加工质量，设计缺陷等客观原因，NVH问题仍然无法完全避免。

汽车高速行驶中，风产生的阻力会快速上升，增加油耗，同时对车身稳定性产生影响。在车身设计中，利用目前的商业CFD软件，能很好的模拟风阻对汽车的影响，优化车身外形，从而减少实际风洞试验的次数，降低研发成本。

2.商业航空发动机

之所以加上商业，是因为可以通过不计成本的暴力试验，让发动机达到一个可用的水平，就类似米格25发动机，超高速飞行太多，发动机就报废了。商用最重要的还是要讲究可靠性，稳定性以及性价比。

航空发动机研制涉及气动力学、传热学、材料力学、理论力学、流体力学、断裂力学、弹性力学，机械动力学等诸多学科，是牛顿力学时代所有力学的集大成，是所有科技成果的结晶。航空发动机是气动、燃烧、传热、控制、机械传动、结构、强度、材料等多种学科或专业综合优化的结果。航空发动机包括难度极大的多个部件，各个部件在高温、高压、高转速的复杂环境下工作且相互影响很大，加之高性能、长寿命、高可靠、轻重量、隐身、经济性、安全性等要求和日益苛刻的环保性约束，已经成为一个逼近极限的综合性产品。

所以在设计发动机时，不仅需要使用CAE分析软件进行不同类型的仿真分析，还要考虑到各种苛刻的材料，空间，性能，工艺等各种约束条件。抛开制造不谈，发动机设计本身就是一个包含多学科，多优化，多尺度，多物理场的工作。可以毫不夸张的说，离开CAE，商业航空发动机研发根本无从下手。

3.芯片

芯片的典型研发流程是1.架构设计2.验证 3.流片 4. 批量生产，在第1,2环节，主要依赖EDA软件和工具套件， EDA是电子设计自动化(Electronics Design Automation)的缩写，也隶属于CAE的范畴，是针对电子产品的自动设计，这里的自动是指使用计算机技术和软件算法工具，给出预定义条件下的最优核心设计。比如大规模的PCB布线，高频电磁信号仿真等工作，必须依赖相应的软件工具，无法人工进行。第3个流片环节是耗时耗钱的一项工作。流片就是设计完后试生产，由芯片代工厂小批量生产一些，供测试用。它看起来是芯片制造，但实际属于芯片设计行业，由于其行业特点，每次流片成本相当高。根据美国一家非营利性多项目晶圆服务组织CMP的服务报价，以业内裸芯（die）面积最小的处理器高通骁龙855为例（尺寸为8.48毫米×8.64毫米，面积为73.27平方毫米），用28纳米制程流片一次的标准价格近400万元人民币，芯片设计企业可以拿到约25个裸芯，平均每个16万元！并且流片并不是一次性的事，流片失败，需要修改后再次流片；流片成功，可能需要继续修改优化，二次改进后再次流片。每一次都需要至少几百万元。

以国内手机厂商小米为例，公开报道其自研芯片澎湃S2到2019年为止，其流片失败5次，而每次流片成本在3千万人民币左右。流片失败的原因很多，除去工艺和流程上的因素，最重要的是原始的设计，如果使用EDA软件哪怕能减少一次流片次数，也能节约相当的成本，用好EDA软件能发现绝大部分设计方面的问题。

从上面几个例子我们可以看出，利用CAE工具，可以在产品设计过程中简化问题，减少实际产品的迭代次数，优化整个设计流程，及早发现问题，减少试验次数，降低设计成本，完成某些实际试验测试无法进行的工作。好的CAE工具不仅提供了软件工具，更重要的是融合了对设计至关重要的行业标准和累计的经验，提高研发设计效率和成功率。

2.CAE软件的发展

很多人容易将CAD等同于AuotCAD，将CAE和ANSYS等同，这也是CAE软件领域的马太效应。关于CAE软件的发展史，是一部大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米的软件并购史，网上有详细介绍，笔者也写了  工业仿真软件十年回顾和展望 一文，回顾了从2008年开始的行业內并购，从技术角度分析和展望了CAE软件的发展。目前主流的CAE软件都被ANSYS，达索，西门子几家大的公司把持，在细分领域也基本是几家龙头公司垄断，常年少有变化。尤其是CAE软件排名第一个ANSYS公司，早年通过原始技术积累以及后来的不断并购收购，将市面上的优秀CAE软件尽数囊括其中，形成了垄断效应。

3.CAE软件的选择和使用

目前市面上CAE软件种类繁多，用户操作很类似。基本流程就是建立或者导入几何模型，模型清理修复，设置材料，荷载，激励，边界等，然后划分网格，求解器计算，查看结果。所以掌握精通了一种CAE软件，其它软件的操作基本也能无师自通；用不同的软件进行计算，更能体会到软件之间的设计差异和指导思想，方便做结果对比，也有助于对问题进行更深入的思考和理解。

掌握一门CAE软件操作并不困难，困难的是在深入理解数学物理模型的基础上，建立出更接近真实世界的仿真模型，比如清理对仿真无用的几何，设置更符合实际工况的边界和荷载，理解网格单元所代表的具体含义，选择合适的网格单元，区分不同网格比如四边形，六面体的优劣，根据求解类型选择合适的求解模式和方程组解法以及参数等等。每个行业都有相应的设计规范，掌握设计规范，将其与仿真结合可以充分发挥软件的验证作用，所有这些知识的获得需要常年的学习积累以及大量实际项目的历练，不太可能靠软件的学习和操作短期内完成。此外市面上有很多关于CAE软件的书籍，购买时最好选择那些不止教如何操作，更是花费较大篇幅介绍理论的书籍，做到知其然知其所以然。

商业软件为了给客户提供便利，隐藏了大量技术细节。对于资深工程师，在熟练使用软件的基础上，要尽可能的弄懂使软件底层的一些细节，并学会使用软件提供的二次开发功能，建立工作模板，积累行业知识，提高工作效率，这就需要工程师不仅要熟悉行业知识和掌握软件操作，更需要握1，2种编程语言。比如优化设计，可以自己写一些第三方优化程序，或者对接辅助优化软件，减少重复性的人工操作，提升效率。

未完待续