CAE（计算机辅助工程）

7专用CAE软件

CAE(计算机辅助工程)是什么

CAE全称是Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程，这是一种在工业制造业产品研发设计过程中广泛应用的技术软件。CAE以有限元法、有限差分法及有限体积法等数学基础，用计算机辅助求解并优化复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等性能的近似数值分析方法。具体而言，就是以三维实体建模为基础，在产品设计阶段开始，通过模拟产品在结构强度、热传导、刚度、运动学等方面的工作状态和表现，为产品功能、性能的可用性和可靠性提供依据，从而实现产品设计的优化，目前已广泛应用于汽车、航空航天、电子装备、国防军工等领域。

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CAE与CAD的关系

(1)从本质上来看，CAD负责设计产品，，CAE负责验证产品性能。CAD是CAE的基础，缺少了CAE的CAD系统是不完整的计算机辅助设计系统。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配。目前，众多厂商在CAD环境中融入CAE ，充分展现设计分析一体化是CAD/CAE系统的发展方向，但是CAE市场相对而言，较为细窄，企业需要不断并购以求横向扩展市场

(2)从重要性上来看，在产品设计与改进中，CAE可以减少式样次数、缩短产品开发周期、降低产品开发费用、降低设计风险、优化设计方案、提升设计效率。

(3)从发展趋势上来看，CAE与CAD未来可能趋于融合。过去的设计与仿真之间界限分明，CAD软件兼具通用性质与垂直性质，而CAE软件则更强调行业与场景下的工程问题的解决，分工明确。但随着时代的发展，研发设计将承担越来越多的职责，特别是并行工程(Concurrent Engineering，CE)等概念从提出到落地，研发已经逐渐从最初的注重产品的外在性质到同时关注产品可生产性、物料可采购性、客户需求全面性、产品可维护性以及产品可盈利性等多样特性。

CAE软件结构

CAE软件基本结构的主要组成部分有用户界面、数据管理系统、数据库、专家系统和知识库五大模块。数据管理系统是CAE软件在进行性能分析或模拟时的核心部件，一方面通过接口实现CAD、CAM等格式文件的输入，另一方面提供前处理、求解分析(大多为有限元分析)、后处理三个流程实现仿真模拟^[1]。

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CAE软件核心工作流程包括前处理、求解、后处理、优化、报告。

(1)前处理过程包括几何图形处理、网格划分等；前处理模块的主要用于对工程或产品进行建模，完成分析数据的输入，建立合理的有限元模型。具体来说，前处理模块主要功能包括给实体建模与参数化建模、构件的布尔运算、单元自动剖分、节点自动编号与节点参数自动生成、载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入、节点载荷自动生成、有限元模型信息自动生成等。

(2)求解过程主要包括模态、刚度、强度等分析方式；如有限元分析模块的主要流程有对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。一般而言有限元分析模块有如下子系统:线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。

(3)(后处理过程包括展示位移、应力等动图，优化过程主要针对仿真结果设计进行修改，并再次回到前处理流程，最终获得合意结果后，通过图形化方式向用户进行报告。后处理模块主要功能包括对求解分析结果进行数据平滑、对各种物理量进行加工和显示、对工程或产品设计要求的数据检验和工程规范进行校核、设计优化与模型修改等。

CAE发展历程

1970-1989起步阶段

中国本土涌现了一批具有自主知识产权的有限元分析软件，为国家CAE行业的起步奠定了重要基础，这些国产CAE软件具有较强的理论水平和技术能力，但是软件的通用性和适用范围相对局限，缺乏整体竞争力

1990- 2005缓慢发展阶段-

国外CAE软件厂商相继进入中国市场、迅速提升市场份额，中国本土CAE软件厂商产生了较大冲击。受限于资金投入不足等因素，本土CAE软件从基础研究到工程应用、再到软件商业化的进程受阻，本土CAE软件厂商的发展缓慢

2006- 至今快速发展阶段

中国本土CAE软件开发商行业竞争力逐渐加强，而应对于中、小、微型企业产品研发设计的市场需求的增长，CAE咨询细分领域也呈现出快速发展的态势。行业下游汽车、工程机械、航空航天等应用领域的市场需求持续增大，刺激了CAE市场容量的释放。

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CAE价值

对一个完整的产品设计而言，CAE贯穿构思、设计和分析、制造、以及运用多个方面

(1) CAE软件能够帮助企业寻求理想的产品设计方案，给设计决策提供支持；

(2) CAE软件能够协助设计人员预先发现潜在问题，转换故障纠正为故障预防，降低设计变更风险、减少处理产品故障的成本；

(3) CAE软件能够模拟多种实际情景，减少物理实验所引发的时间和资金成本；

(4) CAE软件可以有效提高生产效率，推动产品流通，促进下游企业与行业的发展。根据Aberdeen调查报告表示，集成的CAE平台能够节约22%的时间，非集成的平台也能够节约13%。CAE对于增收降本方面更是作用日益凸显，CAE能够加速产品推向市场，提升研发效率，减少物理原型机的成本等^[2]。

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通用CAE软件

通用性较强、适用范围广，可针对多种类型产品的物理力学性能进行模拟仿真、评价和优化，代表软件企业主要是ANSYS公司Ansys、MSC Nastran、达索的ABAQUS、安世亚太PERASIM、英特仿真INTESIM、前沿动力ADI.SimWork、中船重工奥蓝托simWorks、苏州同元MWorks是主流通用CAE软件

(1)Ansys：全球CAE龙头，研发的产品在航空航天、国防、汽车、卫生保健、高科技、工业设备等领域广泛应用。

(2)达索的ABAQUS：应用于解决从简单(线性)到高度复杂的工程问题(多物理场非线性)的一套全方位仿真计算能力的有限元软件。在航空航天与国防、交通运输、工业设备、高科技、生命科学与医疗保健、能源与材料、零售消费品包装、建筑、城市和领土、海洋和近海、家居等领域广泛应用。

(3)安世亚太PERASIM：包括PERA SIMMedh是通用结构力学仿真系统、PERA SIM.Fluid通用流体仿真系统、PERA SIM.Emag通用低频电磁仿真系统。

(4)MSC Nastran：拥有50多年实践经验在结构FEA上，是世界上目前结构分析模拟的行业标准，全球1000家制造商中的900家使用其产品和服务，产品涉及结构、流体、多体动力学、机电、声学、材料、系统、数据管理，应用行业包括航空航天和国防、农业、汽车和地面运输、消费产品、电子产品、重型机械、材料、医疗设备、油和气、发电、再生能源。

(5)英特仿真INTESIM：包括INTESIM-Structure结构分析模块、INTESIM-Incompressible Fluid低速不可压缩流体分析模块、INTESIM-Compressible Fluid高速可压缩流体分析模块、INTESIM-Thermal热分析模块、INTESIM-Emag 三维低频电磁分析软件、INTESIM-Acoustic声场仿真分析模块、INTESIM-Penetration穿甲爆炸分析模块INTESIM-MultiSim多场耦合技术，可应用于航空、航天、汽车、国防等领域。

(6)前沿动力ADI.SimWork：主要有流体力学(CFD)、计算结构力学(CSD)、流固耦合 (FSI/AE/ASE)，其中CFD包括粒子方法，稳态、非稳态仿真分析。CSD包含粒子方法、有限元方法。流固耦合 (FSI/AE/ASE)包括气弹，气动伺服弹性(ASE)、粒子方法(固体/流体)等。

(7)苏州同元MWorks：亚洲唯一完全自主的系统仿真软件，完全自主研发的内核是国际上六个商品化 Modelica编译求解引擎之一，在航天、航空、能源、车辆、船舶、教育等领域应用广泛，为国家系列重大工程提供了数字化设计支撑。

(8)中船重工奥蓝托simWorks：自主研发的CAE核心求解器(iSolver)、CAE前后处理器(simWorks)、工业APP集成平台(iDesginer)三大基础产品，提供从底层算法到集成应用的全套解决方案，为客户提供支撑产品创新研发的工具体系。

专用CAE软件

专用CAE软件专业性较强，能够针对特定类型的产品提供较好的性能分析、预测以及设计优化等功能，有流体力学领域的Fluent、多体动力学领域的Adams、模流分析领域的中国台湾Moldex 3D、铸造MAGMA、大连理工大学计算力学软件平台SiPESC、中国飞机强度研究所航空结构强度分析与优化系统HAJIF。

(1)多体动力学领域的Adams：世界上使用最广泛的多体动力学(MBD)软件，拥有CAE53%的市场份额，被广泛应用于航天、航空、汽车、铁道、兵器、船舶、电子、工程设备及重型机械等行业。

(2)模流分析领域的中国台湾Moldex 3D：Moldflow是应用最广泛的模流分析软件，2008年被Autodesk收购。

(3)中国台湾Moldex 3D：moldex 3D主推3D网格技术，其六面体网格所具有的天生优势是moldflow的四面体网格不能比拟的，在亚洲市场有相当份额。

(4)铸造MAGMA：德国著名的铸造虚拟仿真软件，可用于铸铁、铸钢、压铸、有色金属、砂芯和模具、铸件设计、连续铸造热处理。

(5)大连理工大学计算力学软件平台SiPESC：SiPESC计划为机械/海洋/能源等装备结构，以及汽车/航天/航空/列车/土木等工程结构提供建模、分析、优化的集成软件环境。