|
产品仿真技术——CAE可以说是现代产品研发中出现最早的技术，但它却从来没有火起来过，不温不火地发展着。但这并不妨碍它成为促进世界工业产品进化的最重要的技术，是它一直刺激着工业产品和技术的创新。CAE和其它诸如信息化产品最本质的区别在于：其它信息化产品让企业降低了成本，而CAE为企业产品产生了高附加值，真正能为现代企业创造高额利润，这才是提高企业核心竞争力的关键所在。笔者注意到，随着人们对CAE技术价值的认识逐步深刻和CAE技术本身的发展，含蓄的CAE技术正在火起来。本文就CAE技术的应用和发展趋势和读者探讨，希望得到读者的批评指正。
1. 趋势一：仿真驱动研发流程
现代产品研发流程中，通常使用CAD建模，用CAE进行仿真。因此，许多人的眼里，CAE理所当然是CAD的后端技术了。但其实恰恰相反，在先进研发流程中，CAE是CAD的“先行”技术。在新产品设计周期里，CAD付诸实施之前，CAE已经行动了。
CAD并不是贯穿整个研发周期的技术，CAE却是，它在产品研发全过程中影响着设计。仿真技术越早地被应用于设计流程，它产生的投资回报率也将越高。ANSYS公司有一经典之语切中要害：Never early to use CAE（CAE永不嫌早）！
详细设计之前，在计算机上进行虚拟实验（仿真），来预测产品是否可行，可以省略大量的真实实验，从而节省时间及成本，防止各种意外的发生，保证详细设计的高成功率，避免后期设计中的颠覆性问题。在详细设计的任何时期，CAE技术都将发挥其巨大作用，任何不能确认合理的细节，都可以通过CAE技术来验证，将所有潜在的问题解决在萌芽之中。 （图片）
图1 产品仿真的投资回报 CAE技术的采用，在研发流程的前期看似投入比较高，但越到后来投入越低，回报越高：产品可更早推向市场，且质量更高。
2. 趋势二：核心功能深入化，使用环境简单化
仿真技术在向专业化方向深入发展，仿真环境却逐步浮向使用者手边；核心技术在远离使用者，仿真结果却逼近真实世界。
在仿真软件发展初期，功能性较为简单，但对使用人员的要求却很高。现在，仿真功能从线性发展到非线性，从静态（稳态）到动态，隐式到显式，均质材料到复合材料，确定性分析到非确定性（概率）分析，校核到优化，单学科仿真到多学科耦合……但对仿真人员的要求却低了，主要原因是应用界面越来越简单，越来越顺手。
过去，CAE软件自己做实体建模，有诸多不便。现在，可用CAD软件做实体建模，CAE软件直接使用CAD模型，而且可以自动探测接触关系，建立接触单元。CAE和CAD之间可以双向参数互动，任何一方修改了模型，在另外一方只需刷新即可得到新模型。
未来，虚拟样机库将发挥卓越作用。现代产品的设计绝大多数是变形设计，一个新产品中80%以上的零部件是在原有产品基础上进行参数修改而成的。对于这些零部件，可以建立它们的仿真模型，其中包括网格剖分、载荷施加、求解分析及结果察看等设置，形成虚拟样机部件库。当需要进行分析的时候，只需局部修改参数，就可以投入求解。如果需要进行整机仿真，则可以快速组装形成虚拟整机。这在概念设计阶段的快速选型非常有用，虽然没有详细设计模型，但我们仍可以快速把握未来产品的性能。
ANSYS公司现在推出的仿真技术集成平台——Workbench集成了许多CAE内核技术，将使用界面统一化，且功能丰富，在同一个界面中可以满足产品研发的大多数仿真需求。而且使用范围扩大化，产品研发的所有人员都可在不同程度上参与仿真，乍看人员功能不细分，但其实是仿真功能细分的结果。（图片）
图2 Workbench建立统一仿真环境 由于仿真环境的方便易用，使得软件使用者不需要掌握深奥的核心技术和背景知识，但由于采用了知识工程手段，将软件界面的自动化程度提高，使用者只需较少的操作即可准确完成仿真设计工作，因此计算结果十分接近真实世界的本质。
3. 趋势三：多学科联合仿真和多物理场耦合技术兴起
CAE技术涵盖了结构力学、流体力学、电磁学等诸多学科专业，而象火箭、飞机、船舶等复杂工业产品的设计对这几个学科专业都有强烈的耦合分析需求，多学科及多物理场耦合技术是保证仿真结果逼近真实世界的重要技术。（图片）
图3 ANSYS进行涡沦机械的流固耦合分析 一般的CAE软件通常都只能解决某个单学科的问题，用户需要配置一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件组合起来，以解决其实际工程问题。这不但增加了用户投资，而且很多耦合场问题会由于不同软件间不能有效、准确地传递数据而无法真正实现耦合仿真计算。能否真正完成全面的耦合场分析，已经成为现代CAE软件所追求的目标。谁是此领域先锋，谁将主宰未来仿真世界，占据数字化制造的至高点。
4. 趋势四：产品仿真中高性能计算技术的采用
产品仿真中的物理场仿真对高性能计算技术的要求最为迫切。
在硬件支持方面，CAE软件不但在基于Intel-Windows架构的微机、基于RISC-UNIX架构的工作站、巨型向量计算机上都能够正常工作，而且还提供统一的用户交互界面、统一的软件功能、统一的数据库以及网络浮动能力。
当今，CAE软件的发展已经超越了计算机平台的概念，MPP群机系统、SMP及其构成的星群系统、甚至是局域网连接的工作站/PC机群的并行计算是现代CAE技术追求的新境界。CAE已经开始采用不同机型及操作系统的混合网络上的并行计算。
并行计算使CAE进行系统级的大规模计算不再是新闻，数百万甚至千万网格的计算规模已经是每天发生事情。但更大规模的问题求解越来越成为人们追求的目标，真实的世界需要超过一亿自由度问题的求解方案，比如大型飞机整机气动的精确计算、整机详细结构模态分析、整机超大规模电大尺寸高频电磁计算等等。但能提供求解方案的仿真产品现在还算是寡闻。2004年ANSYS公司宣称自己可成功求解1.11亿自由度的问题，当时在CAE业界颇为轰动。我们期盼有新的CAE公司对其发起挑战，让CAE的高性能计算能力发展得再快一点。
5. 趋势五：协同研发环境的建立
现代研发技术的蓬勃发展使得CAD/CAE软件百花齐放。这种景象为企业带来了宽广选择余地的同时，也带来了异构问题。企业已经认识到异构问题一定要解决。但努力之后又发现现代研发技术的一大特征：CAD技术在趋同，而CAE技术则在求异。设计工具可以通过整个企业选择一种CAD系统达到统一。但对仿真来说，没有一种仿真系统可以包打天下，每种工具都有其无法替代的价值。面对此种局面，保持企业核心技术多样性的同时，建立协同研发环境的呼声越来越高。
所谓协同研发环境，是根据现代企业研发活动的特点，整合研发相关的所有工具，形成一个基于网络的、分布式的企业级协同研发平台。该平台将设计模型管理、研发技术管理、研发流程管理、多学科优化、多物理场仿真、仿真数据管理及研发智力资产管理融于一身，并充分利用企业分布式硬件资源和网格计算资源，支持企业的任何研发活动。（图片）
图4 安世亚太提出的企业级协同研发环境－PERA 此类平台的典型代表是安世亚太提供的PERA，它通过对三个子平台（技术集成、流程集成、产品数据管理）的集成实现研发工具的整合。此平台采用J2EE（Java To Enterprise Edition）标准，决定了其企业级或企业间联盟式跨域协同的特点。
6. 趋势六：仿真咨询服务和研发环境的实施
CAE软件可以对产品设计提供指导，但毕竟是高科技产品，还是要求使用人员具备一定的CAE专业知识。而通常用户的优势在于其所在行业和本公司的产品，而不是CAE。对于高度复杂的问题，与专业的分析团体合作进行问题攻关已成为国际共识。现在流行的仿真咨询方式有领航员计划、联合攻关、分析项目承接、企业工程分析部、用户化开发、行业化开发等。
谈到平台化技术，可能会想起时下流传的一句话：上ERP找死，不上ERP等死。企业上了信息化平台后面临的一个难题是，不但没有将它有效利用起来，反而被其产生的麻烦纠缠。过去不采用这些技术的时候感觉不到这些技术的存在，反倒能专注于本企业的产品研发，只是效率低，创新少。现在采用了这些技术，企业的管理和科技人员的反倒不能专注于企业的产品研发了，整天与这些新技术在搏斗，为的就是让这些技术顺利地在企业内部使用，不要产生麻烦。
因此，研发平台的实施成为咨询业务的最大热点，这需要实施队伍具有过硬的技术和高水平的管理。这支队伍不仅是企业信息化工程的施工队，更是企业信息化肌体的医务组，让企业摆脱技术痛苦，专注本企业的产品研发。安世亚太的实施队伍的提出这样一个目标：让企业忘却信息化，就像健康的人忘却自己！我们拭目以待。
7. 结语
21世纪中国制造业面临更加白热化的市场竞争。制造企业要适应市场竞争的全球化、产品生命周期日益缩短和竞争加剧的环境，要在激烈的市场竞争中求生存、求发展，必须在最短的时间内生产出适应市场需求的产品。建立一个强大的CAE体系是使企业立于不败之地的迫切需要，也是中国制造业数字化工程的需要。
一个健康完善的CAE体系，除了要跟随CAE技术的发展步伐，更应该是一个核心技术完整、仿真环境协同、分析队伍稳定、分析工作规范、行业宏观模式合理、企业微观模式优化的体系。该体系将与研发部门、人、技术、数据、软件、硬件进行良好的整合，发挥协同优势。从全行业宏观角度着眼，从企业微观角度入手；行业内部整合，行业外部合作；引进国外技术，提升国内技术；进步、积累、再进步，技术稳定发展，体系逐渐完善，渐渐进入游刃有余的境界。
在此希望通过业界同仁——包括广大的CAE软件用户——共同努力，让仿真技术更充分地发挥作用，让含蓄的CAE技术火起来！
12/26/2005
| 
