CAE仿真分析是瘸子的拐棍-离不了？
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CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析工程问题，包括结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等。
CAE软件的主体是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis）软件。CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个简单单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。
CAE仿真的应用当前越来越普及，作用也越来越强大，笔者对此没有任何异议。但是，当前产品开发实践中也出现一种趋势是CAE应用泛化。表现在工程师对CAE分析的依赖越来越严重，言必称CAE，有人甚至到了没有CAE分析结论，就没法做任何判断。技术报告里没有一张CAE截图，就会被很多客户认为是“不上档次”，不够科学。因此，大家看到很多招聘广告里，经常要求普通的结构工程师也要能做CAE分析。
结构设计分析问题，做个判断，定义措施，确实需要有依据。CAE分析结果确实可以提供有利支持。这如同医生给病人看病，医生必须诊断找出病因后才可以给出治疗措施，这叫对症下药。做诊断结论前，医生要查找原因，就要求先做各种医学技术检查，如核磁共振、CT扫描、X光透视等等。这是现代医学的常用科技手段，没有任何问题。这些检查如同结构设计的CAE分析。
但，笔者网上看过一个视频，一著名老中医给一群年轻医生讲课，传授经验。老中医医术精湛，悬壶济世，百治百效，回春妙手，远近闻名。老中医不客气，直言不讳的对台下医生说：你们其实就是一群废物，因为你们离了各种仪器和技术检查，你们什么病也看不了。我中医“望闻问切”，就可以治好病。
医生对于医技手段的依赖，类似于现在结构设计对于CAE仿真的依赖。笔者想说的是CAE确实是好东西，现代科技，但也不是“离宫金锁扯不开”，离了它设计做不了了。
CAE分析要有用，结论必须准确。事实上CAE仿真分析结果准确性受到很多因素的影响，比如：模型简化和建立、材料属性以及参数设置、边界条件设定、网格质量、统计公差影响、操作人员的经验、测试条件和仿真条件的差异等等。
首先，CAE分析都是先对实际问题建立一个几何模型和数学模型。建模这个过程中，几乎无一例会都要做大量简化。比如，对于杆、梁、棒、带等长度尺寸远大于截面尺寸的实体零件，经常将它们处理成一维线单元。对于筋、板、壳、管、套、筒等具有明显薄壁特征的实体零件，经常将它们处理成二维面单元（片体）。对于无关紧要的细节特征，如凸台、凹槽、沉孔、螺孔、退刀槽、越程槽、注胶槽、倒角、圆角等，经常需要做清除处理。对于无相对运动的几何单元，进行合并、修剪等。将不重要的非线性曲线修改成线性直线。还要消除零部件之间的小缝隙等。否则，即便是最简单的物理问题，也难以有“满意”的结果。但是，上述简化必然会增大理论分析结果和工程实际情况之间的距离，让人产生怀疑“这样的分析真的有用？”。
其次，工程实践问题非常复杂，非线性，无穷多自由度。能用一个方程直接算出来的几乎没有，不管是简单方程还是复杂方程。有限元分析其实利用数学近似的方法，对真实物理系统进行模拟。用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。显而易见，CAE的分析准确度，肯定严重依赖单元的数量和类型，依赖计算机的计算能力。当条件达不到时，结果也必然是打折扣的。
再次，CAE分析过程中的参数设置也是非常重要。材料是分析的基础。比如，材料参数包括：密度、弹性模量、热膨胀系数、热导率、热容量、硬度、可塑性指数等。这些参数本身均在有前提的条件下获得的，和要分析的对象并不一定一致。很过材料数据库里可能还没有想要的值，只能用相似的。并且分析时用的固定值，实际上受温度等环境因素影响，大多数都不是固定值。这都带来误差。
再者，实际的零件肯定是有公差的。零件的形状和大小都是在公差带范围内变化的。这导致了零件的配合状态也是千变万化的。CAE仿真时，通常客观上需要对同一模型进行多次仿真以获得平均结果。而这经常受到各种实际条件的限制，如时间，进度，成本等，根本做不到。
最后，同一个问题，但是人，CAE软件，计算机，方法，参数设置，条件设定，这其中任何一个因素不一样，都会导致出来的结果不一样。因此，CAE仿真经验具有很强的主观性。因此，需要经验丰富的人员，尤其是理论知识丰富的人员，才有可能得到一个贴合实际的结果。而不是随便一个人按照书上介绍的简单步骤，把相关信息参数输进软件，就能得出一个有用的仿真结果。因此，业内有一种戏谑说法“做仿真，除了自己信，别人都不信”。
CAE分析确实不是一个随便什么人都可以玩的数值游戏。据报道，一所名校的专业仿真团队，耗费数月时间，投入大量人力，对国内某项重点工程进行结构分析，后被专家判断错误。专业团队小心翼翼地计算，花费数月时间，尚且出错，可想而知，对于大量研发力量薄弱的中小企业，缺乏专业经验，没有专职分析人员的情况下，要真正地具备仿真分析能力会有多困难。因此，过多的依赖CAE也造成大量“不可信”的CAE结果泛滥在各种报告上。
基于上述分析，大家可以看出：CAE仿真分析不是万能的。某个CAE结果到底可不可信，其实是个非常难以回答的问题。我们对这样一个东西产生这么大的依赖，是不是有意义呢？
机械专业毕业的工程师，大学课堂上都学了很多机械设计理论和方法。教科书上也介绍了大量的基础知识和方法。很多时候，依据这些知识，如理论力学，振动力学，材料力学，弹性力学，传热学等，进行一些初步的计算，同样也可以得到很多方向性的结论，一样可以辅助做出判断和决策。而没有必要过度依赖CAE仿真结果。
德国产品质量在国际上一直享有盛誉。笔者曾去德国工作过一段时间，和德国工程师一起开发产品的过程中就发现，德国工程师很多时候并不太在意CAE理论计算结果。反而他们更主张“Take sample and test it”。显然，实测结果是最有说服力的，基于实测结果做的判断更靠谱。CAE毕竟说到底只是一种理论预计，理论上好，但实际上并不一定好。事实胜于雄辩。即使有了CAE好的结果，最后也仍然要通过实物实测进行验证。
做个总结：CAE仿真分析毫无疑问是辅助结构设计的重要手段。但首先应对CAE分析的原理有基本了解，对仿真结果的精度有正确预期，对结果的有效性有合理估计。同时，建议大家也不必对它过于依赖。大学课堂上学到的“望闻问切”一样可以解决问题。
笔者多年结构设计经验，搜集了一些简单计算工具，涉及振动，散热，等电子产品结构设计的各个方面。可以帮助大家不必非用ANSYS、Hyperworks、FloTHERM，也可以对很多工程问题得出结论。感兴趣的朋友，可按下面联系。
