DeepSeek预测CAE未来10年-多学科跨软件联合仿真学起来

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导读：在当今数字化浪潮汹涌澎湃的时代背景下，CAE（Computer - Aided Engineering，计算机辅助工程）作为工程设计与制造领域无可替代的核心工具，正稳稳地站在变革的关键十字路口。

DeepSeek，作为行业内极具前瞻性与洞察力的专业分析机构，凭借其深厚的技术积累、庞大的数据资源以及卓越的专家团队，对未来 10 年 CAE 的发展态势进行了深入剖析与精准预测，结论显示，CAE 即将迎来一场前所未有的技术飞跃与应用拓展的宏大变革。

一、DeepSeek预测CAE未来10年

1、AI 与云计算重塑仿真格局

人工智能（AI）与大数据技术的深度融合，将大幅提升 CAE 的自动化程度。未来，CAE 软件能够借助 AI 算法优化仿真流程，自动生成模型、精准预测分析结果，甚至实时修正设计缺陷，显著缩短研发周期。与此同时，云计算的广泛普及将促使 CAE 朝着 “仿真即服务”（Simulation as a Service）模式转变。企业可通过云端平台按需调用高性能计算资源，不仅降低了硬件投入成本，还能支持多用户协同开展仿真工作。以云庐科技为例，其基于云端的后处理技术探索，进一步提升了用户交互效率。

2、多物理场耦合与高精度仿真

随着工程问题日益复杂，多物理场耦合分析，如结构 - 热 - 流体耦合等，成为主流需求。CAE 软件需通过优化算法来提升计算效率，并借助高性能计算（HPC）技术，如 GPU 加速、分布式计算集群等，处理大规模并行运算。此外，提升物理模型精度，例如在湍流模拟、材料非线性分析等方面，将进一步增强仿真的可信度，助力高端制造业实现更精准的预测设计。

3. 国产化替代加速，本土企业竞争力提升

中国 CAE 市场增速远超全球平均水平，预计 2025 年规模将突破 300 亿元，年复合增长率达 18.4%。在政策扶持下，中望软件、安世亚太、迈曦软件等本土企业通过自主研发，逐步打破国外垄断，在电磁场分析、流体力学等细分领域已接近国际水平。未来，国产软件将凭借本土化服务优势，如定制化解决方案、低成本订阅模式，进一步扩大市场份额，并积极参与国际标准制定。

4、应用领域向新兴行业拓展

传统制造业，如汽车、航空航天，仍是 CAE 的主要应用场景，但新兴领域的需求正在迅猛增长。在新能源领域，电池热管理、风电场优化等；生物医疗领域，植入器械力学分析；智能建造领域，建筑结构抗震仿真等，都将成为 CAE 技术新的增长点。此外，物联网（IoT）与数字孪生技术的融合，将推动 CAE 从单一产品设计向全生命周期管理拓展，实现设备运行状态的实时仿真与优化。

5、产业链协同与生态体系完善

CAE 产业链上下游的协同作用将愈发明显。上游硬件供应商，如高性能服务器厂商，需与中游软件开发商共同优化算力支持；下游应用企业则通过反馈需求，推动技术迭代升级。同时，开源社区以及产学研合作将加速技术传播。高校与研究机构在算法层面的突破，可通过企业迅速实现商业化，形成 “技术研发 - 应用验证 - 市场推广” 的闭环生态。

6、挑战与应对策略

尽管 CAE 行业前景广阔，但仍面临核心技术依赖进口、高端人才匮乏等挑战。对此，需加大基础算法研发投入，强化校企联合培养机制，并通过政策引导，如税收优惠、知识产权保护等，营造可持续发展的创新环境。

二、突破多学科跨软件仿真能力

在未来 10 年，多学科跨软件仿真能力将成为 CAE 发展的又一关键突破点。随着各行业对复杂工程系统研究的不断深入，单一学科或软件已难以满足全面、精准分析的需求。

不同学科领域，如力学、电磁学、热学、化学等，在实际工程问题中往往相互关联、相互影响。例如，在新能源汽车研发中，电池的电化学性能与热管理系统紧密相关，同时电池模组的结构设计又需考虑力学稳定性。这就要求 CAE 具备跨越多个学科进行协同仿真的能力，整合不同学科的理论模型与算法，实现多物理过程的耦合模拟。通过这种多学科仿真，工程师能够更全面地理解产品在复杂工况下的综合性能，提前发现潜在问题，优化设计方案。

在软件层面，目前市场上存在多种功能各异的 CAE 软件，每种软件在特定领域有其优势。未来，CAE 将朝着实现跨软件协同仿真的方向发展。这意味着不同软件之间能够实现数据的无缝传输与交互，打破软件间的壁垒。比如，结构分析软件的计算结果可直接作为流体分析软件的输入条件，反之亦然。实现跨软件仿真，不仅需要统一的数据标准和接口规范，还需开发专门的中间件或集成平台，以协调不同软件的运行。

为了提升多学科跨软件仿真能力，行业内将加大对相关技术研发的投入。一方面，研究人员将致力于开发通用的多物理场建模语言，使得不同学科的模型能够以统一、规范的方式进行描述与构建。另一方面，高校和科研机构将与企业合作，开展联合攻关项目，探索高效的多学科耦合算法与跨软件协同机制。此外，标准化组织也将制定相应的行业标准，推动多学科跨软件仿真技术的规范化与普及化。

多学科跨软件仿真能力的提升，将为 CAE 在众多前沿领域的应用开辟新的道路，如航空航天的飞行器一体化设计、生物医学的人体复杂生理系统模拟等，进一步巩固 CAE 在工程设计与制造领域的核心地位，助力各行业实现更高质量、更具创新性的发展。

三、Star-CCM+联合Abaqus流固耦合仿真应用

1、流固耦合仿真理论基础

流固耦合问题，简单来说，就是流体与固体之间存在相互作用，在这种相互作用下，流体的运动会影响固体的变形和运动，反之，固体的变形和运动也会改变流体的流动状态。这种复杂的交互作用在众多工程领域，如航空航天、海洋工程、生物医学等都有着极为重要的影响。例如在航空领域，飞行器机翼在高速气流作用下的颤振问题；在海洋工程中，海上浮动结构物在波浪作用下的响应等。

从数学理论角度，其控制方程主要基于流体力学的 Navier - Stokes 方程和固体力学的平衡方程。

(1)流体控制方程：不可压缩粘性流体的 Navier - Stokes 方程是描述流体运动的基本方程。

a、连续性方程：此方程表示流体在流动过程中质量守恒，其中是流体速度矢量，为散度算子。它意味着在一个封闭的流体系统中，流体不会凭空产生或消失。

b、动量方程：该方程描述了流体动量的变化，是流体密度，为时间，是压力，是动力粘度，表示作用在流体上的外力。方程左边表示单位体积流体动量随时间的变化以及由于对流引起的动量变化，右边分别是压力梯度力、粘性力和外力。

（2）固体控制方程：基于线性弹性理论的固体平衡方程。其中是应力张量，是单位体积固体所受的体力。此方程表明在固体内部，应力的散度与所受体力之和为零，反映了固体内部的力学平衡状态。

（3）耦合条件：在流固交界面上，需要满足力平衡和位移协调条件。

a、力平衡条件：是流固交界面的单位法向量，是流体的应力张量。这意味着在交界面处，固体对流体的作用力与流体对固体的作用力大小相等、方向相反，保证了力的连续性。

b、位移协调条件：和分别是固体和流体在交界面处的位移。该条件确保了在流固交界面上，固体和流体的位移保持一致，不存在相互穿透或分离的情况。

常用的数值模拟方法有强耦合方法和弱耦合方法。强耦合方法直接将流体和固体方程联立求解，计算精度高，但计算成本大，对计算资源和算法要求苛刻。弱耦合方法则是将流体和固体问题分开求解，通过在交界面上迭代传递信息来实现耦合，计算效率相对较高，在工程实际应用中较为广泛。

2、STAR-CCM + 独立仿真浮动弹性板

（1）建立几何模型

在 STAR-CCM + 中，构建海上浮动弹性板与流体区域的几何形状是仿真的基础。我们可以利用软件内置的几何建模工具，创建长方体来模拟弹性板，通过合理设置其长、宽、高参数，使其符合实际弹性板的尺寸规格。对于流体区域，同样采用长方体进行模拟，在构建过程中，需特别注意弹性板与流体区域的相对位置关系，确保弹性板完全处于流体区域内部，且二者的边界条件设置合理，为后续的仿真计算提供准确的几何基础。

（2）生成网格

网格划分的质量对仿真结果的准确性和计算效率有着至关重要的影响。在 STAR-CCM + 中，针对弹性板和流体区域，在划分网格时，对于弹性板与流体的交界面以及弹性板周围的关键区域，适当加密网格，以提高计算精度。通过调整网格参数，如网格尺寸、增长率等，确保网格既能满足计算精度要求，又不会导致计算量过大，从而实现计算效率与准确性的平衡。

（3）确定物理模型

根据海上浮动弹性板的实际工作环境和仿真需求，我们选择湍流模型作为流体的物理模型。在设置相关参数时，需准确设定流体的密度、动力粘度等属性。对于弹性板，选用线性弹性材料模型，依据实际材料特性，合理设置弹性模量、泊松比等参数。这些参数的准确设定，能够真实反映弹性板和流体的物理特性，为模拟它们之间的相互作用提供可靠的物理基础。

（4）设立六自由度体

为了准确模拟海上浮动弹性板在流体中的运动状态，在 STAR-CCM + 中设置六自由度体是必不可少的步骤。这六自由度包括沿 x、y、z 轴的平移和绕 x、y、z 轴的旋转，通过设置六自由度体，能够全面考虑弹性板在流体载荷作用下的各种运动形式。在设置过程中，需指定六自由度体的质量、惯性矩等属性，这些属性的准确设定，决定了弹性板在模拟中的运动响应是否符合实际情况。

（5）设定边界条件

边界条件的设置对于模拟的准确性至关重要。利用VOF波模型，根据实际水流情况，设置为速度入口，出口边界则设置为压力出口。对于弹性板和流体区域的壁面边界，设置为无滑移边界条件，即壁面处流体的速度与壁面速度相同，这符合实际物理情况。此外，还需根据具体的模拟场景，设置其他相关的边界条件，如对称边界条件等，以确保模拟环境尽可能接近实际情况。

（6）建立报告和场景

在 STAR-CCM + 中创建报告，能够实时监控仿真过程中的关键数据，如力、力矩、位移等。通过设置报告的输出频率和数据类型，我们可以获取所需的模拟信息。同时，设置场景用于结果可视化，例如创建位移和应力云图场景，能够直观展示弹性版的受力和位移情况；创建压力云图场景，可清晰呈现弹性板和流体区域内的压力变化。

（7）配置求解器

求解器参数的设置直接影响计算的准确性和效率。在 STAR-CCM + 中，对于时间步长的设置，需综合考虑模拟的精度要求和计算成本。较小的时间步长能够提高计算精度，但会增加计算时间；较大的时间步长虽能加快计算速度，但可能会降低精度。通常需要通过多次试验，找到一个合适的时间步长值。此外，还需设置迭代次数，确保计算能够收敛到稳定的结果。同时，合理配置其他求解器参数，如松弛因子等，以优化计算过程。

（8）计算求解

完成上述所有设置后，便可以在 STAR-CCM + 中启动计算求解。在计算过程中，软件会根据我们设置的参数和模型，逐步计算弹性板与流体之间的相互作用，以及弹性板的运动响应。计算时间的长短取决于模型的复杂程度、网格数量以及计算机的性能等因素。在计算过程中，需密切关注计算状态，确保计算正常进行，如发现计算出现异常，需及时检查设置并进行调整。

（9）结果分析

计算完成后，对结果进行深入分析是关键环节。我们可以查看弹性板的位移分布，了解其在流体载荷作用下各个部位的变形情况，判断是否存在变形过大的区域，这对于评估弹性板的结构安全性至关重要。同时，分析应力分布，确定弹性板内部的应力集中区域，为结构设计和优化提供依据。此外，观察流场的速度、压力分布，研究流体在弹性板周围的流动特性，以及流体载荷对弹性板的作用规律。通过对这些结果的综合分析，能够全面评估海上浮动弹性板在流固耦合作用下的性能表现。

3、Abaqus与Star-CCM+耦合仿真浮动弹性板

（1）Abaqus 建立仿真模型

进入 Abaqus 软件环境，开始搭建仿真模型的关键步骤。在材料属性设置方面，根据弹性板实际使用的材料特性，如选用聚乙烯板，我们需在 Abaqus 中准确输入其密度、弹性模量、泊松比等参数，这些参数将直接决定弹性板在模拟中的力学响应。对于单元类型的选择，考虑到模型的几何形状和计算精度要求，通常选用合适的三维实体单元，如 C3D8R 单元，该单元在模拟复杂应力状态下的结构响应具有良好的性能。接着，定义分析步。针对海上浮动弹性板的动态响应分析，设置适当的分析步类型，如动态隐式分析步，以捕捉弹性板在流体载荷作用下的瞬态运动过程。在分析步设置中，合理确定时间增量、总分析时间等参数，确保计算能够准确模拟弹性板在不同时刻的状态变化。同时，设置边界条件，如在弹性板与流体接触的表面，定义流固耦合的相互作用边界条件，使 Abaqus 能够准确传递流体对弹性板的作用力以及弹性板的变形信息。

（2）Star-CCM + 建立仿真模型

切换至 Star-CCM + 软件，在导入 UG 创建的几何模型后，对模型进行进一步的处理和优化。在物理连续体设置中，针对流体区域，选择合适的流体模型，以准确描述流体的复杂流动特性。设置流体的密度、动力粘度等物理属性，确保与实际流体介质相符。在边界条件设置方面，与 STAR-CCM + 独立仿真类似，入口边界设置为速度入口，根据实际海流或波浪条件，精确给定流体的流入速度大小和方向；出口边界设置为压力出口。对于弹性板与流体的交界面，设置外部的耦合边界条件，以实现与 Abaqus 模型中流固耦合面的无缝对接，确保数据能够在两个软件之间准确传递。

（3）设置耦合代码

为实现 Abaqus 与 Star-CCM + 之间高效的数据传递和协同计算，编写并设置耦合代码至关重要。在代码中，详细定义两个软件之间的数据交互的变量。确定在每个计算时间步中，Abaqus 如何将弹性板的变形信息传递给 Star-CCM+，以及 Star-CCM + 如何将流体对弹性板的作用力反馈给 Abaqus。通过设置耦合算法，采用基于时间步的耦合算法，确保两个软件在计算过程中能够不断调整和优化各自的计算结果，以达到整体的收敛和稳定。

（4）结果分析

完成耦合仿真计算后，与 STAR-CCM + 独立仿真结果对比，我们可以从多个维度进行考量。在弹性板的位移响应方面，对比两种仿真方式下弹性板在不同时刻的位移大小和方向。在应力分布方面，观察耦合仿真得到的弹性板应力集中区域是否与独立仿真一致。若出现不一致的情况，需要仔细检查 Abaqus 中材料属性和单元类型的设置是否正确，以及 Star-CCM + 中流体载荷的计算是否准确。通过对这些结果的对比和分析，我们能够更全面地了解海上浮动弹性板在流固耦合作用下的真实力学行为，为海洋工程结构的设计和优化提供更可靠的依据。

4、Abaqus与Star-CCM + 耦合系泊仿真

（1）建立系泊缆绳

在 UG 软件中，延续之前构建的海上浮动弹性板与流体区域的几何模型，进一步添加系泊缆绳的几何结构。系泊缆绳的形状和位置对浮动弹性板的运动和受力有着重要影响。通常，我们根据实际的系泊方案，在弹性板的特定位置，如四个角或边缘的关键部位，创建系泊点，并从这些系泊点延伸出缆绳的几何形状。通过精确的线条绘制和尺寸设置，确保缆绳的长度、直径等参数符合实际设计要求，为后续的仿真分析提供准确的几何基础。

（2）Abaqus 建立缆绳模型

进入 Abaqus 软件，针对系泊缆绳进行详细的模型设置。在材料属性方面，根据缆绳实际使用的材料，如高强度钢丝绳，准确设置其密度、弹性模量、泊松比等参数。这些参数决定了缆绳在受力时的力学响应特性。对于单元类型，鉴于缆绳主要承受轴向拉力，通常选用合适的杆单元，如 T3D2 单元，该单元能够有效模拟缆绳的轴向受力情况。在边界条件设置上，将缆绳的一端与弹性板上的系泊点进行刚性连接，确保力的有效传递；另一端则根据实际情况，模拟其与海底或其他固定结构的连接方式，如固定约束。通过合理设置这些边界条件，能够准确模拟系泊缆绳在实际工作中的受力状态。

（3）Star-CCM + 参数设置

切换至 Star-CCM + 软件，在已有的模型基础上，不需要对模型做更多改动，缆绳的系泊行为，通过abaqus的位移传递给STAR-CCM+。

（4）结果分析

完成耦合系泊仿真计算后，对结果展开全面而深入的分析。在系泊状态下，观察浮动弹性板的运动轨迹，与无系泊状态下的运动相比，系泊缆绳的约束作用使得弹性板的运动范围受到明显限制。分析弹性板在不同方向上的位移变化，如纵向、横向和垂向位移，判断其是否在设计允许的范围内。研究弹性板的受力特性，包括系泊缆绳传递给弹性板的拉力分布情况。通过查看不同时刻缆绳的拉力大小，分析拉力的变化规律，判断是否存在拉力过大的情况，这对于评估系泊系统的安全性至关重要。同时，观察弹性板自身的应力分布，确定在系泊和流体载荷共同作用下，弹性板是否存在应力集中区域，为结构的强度设计和优化提供关键依据。通过对 Abaqus 与 Star-CCM + 耦合系泊仿真的深入研究，我们能够更全面地了解海上浮动弹性板在实际工作环境中的性能表现，为海洋工程的设计、优化和安全保障提供有力的技术支持。

五、我的Star-CCM+流固耦合视频教程

Abaqus 与 Star - CCM + 耦合海上浮动弹性板流固耦合仿真，从流固耦合仿真理论基础出发，阐明了流固耦合原理。在 STAR - CCM + 独立仿真浮动弹性板的过程中，详细阐述了从几何模型构建、网格生成，到物理模型确定、边界条件设置以及结果分析等一系列步骤，每一步都紧密围绕如何准确模拟弹性板在流场中的行为展开。

对于 Abaqus 与 Star - CCM + 耦合仿真浮动弹性板以及耦合系泊仿真，跨越多个软件平台，实现了两个软件之间的协同工作，从而能够更全面地考虑各种实际因素对海上浮动弹性板性能的影响。通过对不同仿真结果的分析，我们清晰地了解到弹性板在流固耦合作用下的位移、应力分布情况，以及系泊缆绳对其运动和受力特性的约束作用。这些结果为海洋工程中海上浮动结构物的设计、优化提供了极为重要的参考依据，有助于提高结构的安全性、稳定性和可靠性。

为此，我在仿真秀做了一套视频课程《多学科跨软件联合仿真28讲：Abaqus与Star-CCM 耦合海上浮动弹性板流固耦合仿真》希望对学习者有所帮助，以下是我课程安排：

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