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仿真人到底是个什么岗位？

团长

1年前浏览682

大家好，我是团长。

本次转载一篇比较感同身受的文章，文章略有改动。

如果有人问我是做什么的，我发现在涉及到CAE时，我很难用通俗易懂的语言让别人一听便理解。这不是听众的问题，应该是我沟通的问题。所以我花了较多的时间重新来思考，写下下述文字，期望能解开CAE的神秘面纱。

要想了解CAE，首先我们必须知道人类认识和探索自然大致有以下几种方式。

一是观察，这非常好理解；
二是推演，从已知的东西、按照一定的逻辑方法，推测未知的世界，也比较好理解；
三是试验，其实应该与观察并为一类，为什么我要单列呢？因为试验比观察更难以开展，需要更多的设计、组织、测量、分析，并用到很多复杂的试验设备;
四是模拟，并不是所有的东西都可以通过观察、推演和试验获得，比如受制于漫长的物理时间过程（如宇宙的演化），比如无法在试验中复制现象发生的物理化学环境（如核弹的爆炸过程）。这种时候，就需要用到模拟的方法去推测未知；

精确的模拟，是这四种方式中的集大成者，因为它不仅可以是无中生有的模拟，也可以是前三者的综合。

为什么能够开展计算模拟呢？

人类在数千年的知识进化中，对于部分学科，形成了较为完整或严格的理论体系，这些理论体系在数学上已经被证明是合理的、正确的。

通俗地说，对于无论是自然现象还是产品工作过程（当然只是一部分），我们已经发展出了可以用一组方程精确地描述这个过程，我们若希望了解更多的时间或空间上的细节或结果，只要设法把方程解出来即可。

假设我们大家理解了上述内容，就理解了CAE的基础。

接下来，我们将范围缩小到产品开发，这里的产品特指狭义上的实体产品。基于此，我们来看CAE处于产品开发中的什么环节。

首先我们来重温一下产品开发流程：

设计输入（产品性能改进要求，市场输入，公司内部规划等）
调研研究（文献，竞争对手产品，最新技术和工艺，可行性等）
外观功能设计
设计计算（初步的产品性能）
计算机制图
虚拟试验（即计算机仿真）
制造工艺设计
制造
试验、测试及数据分析
设计评审
提出改进设计需求

我们再聚焦于最重要的开发目标—产品性能，围绕产品性能，大量的不同学科铺陈展开，几乎囊括了大部分人类文明发展出来的各类理工科学科专业。这是大学教育和社会上专业研发人员分工的基础。企业设置了各类部门和团队来承担这些专业性工作。

在产品流程开发中，设计目标比如产品性能，必须通过试验测试来验证设计是否达到性能目标。一般来说，要通过多次迭代设计、不断制造物理样机、并做试验来验证。周期和成本非常高。而且只是知其然、不知其所以然。

如果我们能在产品设计的数字化样机(即在计算机上设计出全三维模型)阶段，能通过在计算机上做试验(即计算机仿真，CAE)判断性能是否符合设计要求，那设计迭代大部分工作就只需在计算机上完成，牵涉不到物理样机制造和试验，也就没有耗费成本和时间的材料购买、开模、工装夹具、生产制造、装备、试验等。等数字化样机和计算机试验反复做的差不多，最后再去做少量物理样机制造和试验，产品就能基本定型。

理解了计算机仿真在产品开发中所处的阶段后，我们来看看为什么CAE能在计算机上做实验，是怎么实现的。我们以飞机设计为例。

大家知道，飞机能够克服重力起飞，要靠飞机机体(主要是机翼)以一定速度、角度切割空气产生升力。我们在计算机上初步设计出一架飞机(这架飞机有了特定的尺寸、曲面、结构布局、关键空间特征)后，如何判断能够这个设计是否满足这些指标?

以升力和阻力为例。这个问题从学科上归结于空气动力学问题，飞机以一定速度和角度切割空气，空气会在机身绕流，在机身的不同地方会有不同的空气压力、速度，以机翼为例，上下表面的压力差就构成了向上抬升飞机的升力。空气绕流飞机的过程，可以由一组偏微分方程可以精确地描述，它叫Navier-Stocks方程，1827年就已经由法国和英国的科学家共同提出来。只要解出这组方程，飞机机身及周边各个点上的压力、速度都有了。这组方程非常复杂a，流体力学专家们这一百多年来主要努力在解这组方程，一直在发展各类算法、各类数学和物理模型。幸运的是，近几十年人类有了计算机，就可以将复杂的计算通过程序交由计算机来解。

我们不花时间来讲如何解这些方程的算法和软件实现，只需要大家明白，在算法理论不断进步的前提下，是越来越强大的计算机在人类的指令(程序)下来解这些方程，越解越快，越解越精细。

实际上这个过程通俗地说就是在计算机上做吹风试验，来验证一种飞机设计的空气动力学特性是否满足要求。当然，最后我们还要在真实的风洞中做吹风试验，但次数已大大减少、时间大大节约、成本大大压缩。

大家知道吗？C919大型客机在荷兰做风洞试验，一次要几千万元人民币，即使在目前有计算机仿真的情况下，也要做几十次、几百次的试验，如果没有计算机仿真呢?代价几乎是无法想象的。

最后我们探讨计算机仿真究竟有哪些类别?目前处于什么发展状态?

一般来说，CAE主要关注产品特性中的抽象出的物理性能，比如力学特性、电学特性、光学特性等。按照被关注的物理特性，一般有这么几类软件：

结构分析软件：关注强度、刚度、振动特性
流体分析软件：关注温度、速度、压力、流量等特性
热分析软件：关注温度和热流等特性
电磁分析软件：关注电场和磁场强度和密度等特性
光学分析软件：关注光的照度、强度和辉度等特性
声学分析软件：关注声强、频率、声品质等特性

CAE和CAD(计算机辅助设计，通俗地说就是计算机画图或数字化样机设计)、CAM(计算机辅助制造，比如数控机床编程)、CAPP(计算机辅助工艺规划)等统称为CAx，是制造业中最为核心的研发价值链，也是国内制造业和国外差距的主要领域。

CAx和PDM（产品数据管理）都归为一个特定的制造业信息化大领域PLM(产品寿命周期管理)。PLM在全球是一个巨大的产业，2014年全球PLM总产值372亿美元，但在中国仅为14.69亿美金。随着中国制造业的产业转型，中国PLM市场的增长空间巨大无比。

从以上分析可以看出，CAE是一个不折不扣的最高端的高科技领域，也是近四十年来美国等国家对中国封锁最严的领域（参考前不久美国对哈工大Matlab的禁用令）。美国人有一个简单的逻辑思维：一旦中国人获得了顶级的CAE软件或掌握了开发CAE软件的全部技能，理论上设计任何国防和高科技产品都有了可能。因为CAE帮中国人实现了知其然并知其所以然。

但事实是，中国与发达国家的差距非常大。中国虽然不缺顶尖的科学家（比如力学科学家）、计算技术科学家（算法研究和实现）、计算机图形科学家，但是中国缺失了体制（特别是科研管理体制、高等教育体制）、文化（特别是创业文化、合作文化）、市场化方面的优势，同时中国失去了从上世纪70年代到90年代宝贵的20年、这个20年是发达国家CAE技术飞速发展的20年，以及中国制造业过去整体上以仿制、高密度资本、高人力成本、高资源消耗为主要特征，缺少对原创性研发的追求，CAE自主化的市场应用环境因此并未形成。

所以，回到题目，仿真人到底是什么岗位？表面说起来，CAEer是一群高端科技人才，但实际上却是被当前中国普遍只看重结果而不看重过程的体制文化所雪藏了的一群普通“打工人”。尽管国家有逐渐看重科技人才的趋势，但也是个君问归期未有期的事儿。

再回答别人自己是做什么的的时候，别管心中万千野马奔腾的自豪，也别管自己被埋没的才能，简单回答一句我是做产品开发的，不卑不亢，哦了。每个行业都是一座围城，每个岗位都有自己难念的经，唯有正视本心，将做事当成一种修行，方归大道。

来源：CAEer

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首次发布时间：2023-06-29