摘要：

　　本文從探討幾個看似簡單，但卻不被人真正了解，甚至容易誤解的概念入手。嘗試闡述了CAD的真正內(nèi)涵，進而探究了CAE與CAD之間的關(guān)系。論述了CAD/CAE系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢是實現(xiàn)設(shè)計仿真的一體化。提出了以設(shè)計為導(dǎo)向、分析功能高級化、面向制造的分析、易用且高性能、人性化加智能化、知識工程、開放性等將成為設(shè)計仿真一體化趨勢的典型表現(xiàn)。最后以SolidWorks及其專業(yè)級的CAE分析產(chǎn)品線為例進行了詳細的論述與論證。

　　1.前言

　　設(shè)計分析一體化是目前所有CAD公司追求的一個主要目標(biāo)，其核心意圖就是為了實現(xiàn)在設(shè)計過程中，充分考慮產(chǎn)品的性能和優(yōu)化，提升產(chǎn)品質(zhì)量和改善產(chǎn)品性能。

　　2.幾個重要概念及其誤區(qū)

　　a)什么是CAD？

　　CAD，即計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design,CAD），其概念和內(nèi)涵正在不斷地發(fā)展中。1972年10月，國際信息處理聯(lián)合會（IFIP）在荷蘭召開的“關(guān)于CAD原理的工作會議”上給出如下定義：CAD是一種技術(shù)，其中人與計算機結(jié)合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。CAD是工程技術(shù)人員以計算機為工具，對產(chǎn)品和工程進行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。

　　b)什么是CAE？

　　CAE（Computer Aided Engineering）計算機輔助工程的特點是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計算機數(shù)值模擬得到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進步。

　　c)什么是設(shè)計（Design）

　　最簡單的關(guān)于設(shè)計的定義、就是一種“有目地的創(chuàng)作行為”。

　　根據(jù)工業(yè)設(shè)計師 Victor Papanek 的定義，設(shè)計（design）是為構(gòu)建有意義的秩序而付出的有意識的直覺上的努力。更詳細的定義如下：

　　第一步：理解用戶的期望、需要、動機，并理解業(yè)務(wù)、技術(shù)和行業(yè)上的需求和限制；

　　第二步：將這些所知道的東西轉(zhuǎn)化為對產(chǎn)品的規(guī)劃（或者產(chǎn)品本身），使得產(chǎn)品的形式、內(nèi)容和行為變得有用、能用，令人向往，并且在經(jīng)濟和技術(shù)上可行。（這是設(shè)計的意義和基本要求所在）

　　這個定義可以適用于設(shè)計的所有領(lǐng)域，盡管不同領(lǐng)域的關(guān)注點從形式、內(nèi)容到行為上均有所不同。

　　1978年諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎 Herbert Simon 發(fā)表著名文章對設(shè)計給出著名定義“設(shè)計就是找到一種行動方式 ，目的是把現(xiàn)狀變成自己更喜歡的樣子 ”

　　d)幾個誤區(qū)：

　　i.誤區(qū)1 計算機輔助制圖是CAD

　　計算機輔助制圖（Computer Aided Drafting），簡寫為CAD，譬如我們熟知的AutoCAD輔助制圖軟件，幾乎成了CAD的代名詞。目前我國絕大數(shù)機械工程師都是二維或三維軟件的使用者，他們最終都需要生成二維工程圖紙。三維制圖和二維制圖最大的區(qū)別是直觀性大為增強，但是本質(zhì)上沒有改變制圖的地位。因此計算機輔助制圖不是計算機輔助設(shè)計。

　　ii.誤區(qū)2 現(xiàn)代設(shè)計就是CAD

　　從前面關(guān)于設(shè)計的定義，設(shè)計包含了人、知識、工具、環(huán)境等多方面的結(jié)合，因此CAD僅僅只是工具，利用適合設(shè)計者的工具可以幫助設(shè)計者更快、更好的進行設(shè)計。

　　iii.CAE是有限元分析（FEA）

　　CAE（Computer Aided Engineering）計算機輔助工程，涉及到多學(xué)科的問題，針對不同的學(xué)科，產(chǎn)生了各種仿真分析的數(shù)學(xué)工具。如FEA（有限元分析），多體動力學(xué)，CFD（計算流體力學(xué)），有限差分法，邊界元法，無網(wǎng)格法，加權(quán)余量法等等。他們針對不同的領(lǐng)域，各具優(yōu)勢。如FEA適合解決結(jié)構(gòu)的強度、剛度、疲勞等問題；多體動力學(xué)適合解決多剛體系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)特性；CFD適合解決流體的流動和熱問題；因此FEA僅僅是CAE的一個領(lǐng)域。

　　iv.誤區(qū)3 CAE獨立于CAD

　　從前面關(guān)于CAD的定義“ CAD是工程技術(shù)人員以計算機為工具，對產(chǎn)品和工程進行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。”CAD中必須含有分析（CAE），也就是說面對設(shè)計，CAE是CAD的子集，缺少了CAE的CAD系統(tǒng)是不完整的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。

　　下圖徹底揭示了計算機輔助制圖、CAE和計算機輔助設(shè)計的真正內(nèi)涵。

 　　現(xiàn)在幾乎所有的CAD廠家都認識到CAE的重要性，都先后在CAD環(huán)境中加入了CAE，雖然功能有弱有強，但是都充分體現(xiàn)了設(shè)計分析一體化是CAD/CAE系統(tǒng)的發(fā)展方向。下面將具體論述設(shè)計分析一體化的CAD/CAE系統(tǒng)的將成為發(fā)展的必然。

　　3.以設(shè)計為導(dǎo)向

　　在制造型企業(yè)中CAE的目的優(yōu)化和改進產(chǎn)品設(shè)計，因此分析應(yīng)該無縫融入到設(shè)計過程中。因此，單一無縫的CAD/CAE界面是使用的基礎(chǔ)。另外，仿真分析如何無縫的融入設(shè)計過程，減少設(shè)計人員使用CAE系統(tǒng)的難度也是目前發(fā)展的方向。仿真向?qū)У燃夹g(shù)精彩的體現(xiàn)了“以設(shè)計為導(dǎo)向”的先進思路。

　　下面以SolidWorks的Simulation產(chǎn)品簡單介紹，從SolidWorks2009開始，其著名的FEA軟件COSMOSWorks改名為SolidWorks Simulation。其為了體現(xiàn)設(shè)計仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到SolidWorks的設(shè)計過程中。

　　SolidWorks Simulation的仿真向?qū)?，包含以下顧問向?qū)В核憷檰枺▓D2）、性能顧問（圖 3）、約束和載荷顧問、連接顧問、結(jié)果顧問

圖2算例顧問 圖3性能顧問

　　4.分析功能高級化；

　　實際產(chǎn)品的運用環(huán)境非常復(fù)雜，因此僅進行零件級別的分析是遠遠不夠的，因此必須進行系統(tǒng)及部件級的分析。但是系統(tǒng)及部件級的分析存在著相當(dāng)?shù)碾y度，下面分別論述。

　　a)系統(tǒng)及部件級分析

　　以FEA為例，為了實現(xiàn)有價值的分析，設(shè)計的幾何部件會需要不同的單元類型，實體、殼、梁、桿進行離散。而且需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。

　　其中連接關(guān)系的處理尤其重要，涉及到螺栓連接、銷釘連接、彈簧、點焊、軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系（圖4）。

圖4 面向設(shè)計者及分析專家的裝配體連接關(guān)系

　　b)多領(lǐng)域的全面分析

　　任何一個產(chǎn)品決計不能僅考慮靜強度，必須考慮多領(lǐng)域的問題，比如靜強度、動強度、模態(tài)、疲勞、參數(shù)優(yōu)化等。圖5展示了在統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析。

圖5統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析 圖6 面向設(shè)計者的多場耦合分析

　　c)面向設(shè)計者的多場耦合

　　熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)、多體動力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場分析是目前分析中的一個重要發(fā)展方向，他可以解決非常復(fù)雜的工程問題（圖6）。

　　d)特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求

　　面對很多行業(yè)有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模塊。例如面對壓力容器，需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具（圖7）；面對電子和消費品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力（圖8）。

圖7壓力容器應(yīng)力線性化 圖8 望遠鏡跌落分析

　　e)高級分析需求

　　面對日益復(fù)雜的使用環(huán)境，必須考慮復(fù)合材料、材料非線性、高級機械振動、非線性動力學(xué)等高級分析的需求。

 　　5.面向制造的分析

　　面向制造的分析也是目前CAD環(huán)境下的一大趨勢，例如可制造性分析、公差分析等。

　　6.易用與性能的矛盾

　　目前CAD/CAE軟件使用上越來越簡單，但是同時帶來的矛盾是性能越來越差，如何提升性能與易用性之間的矛盾是目前的一大難題。因此各CAD廠商分別推出了適合自己產(chǎn)品的新技術(shù)。如SolidWorks2009推出了劃時代的SpeedPak技術(shù)解決了大型裝配體設(shè)計、裝配和工程圖性能的問題。其CAE產(chǎn)品線更在大裝配、多CPU/多核等的FEA分析、運動學(xué)及CFD做了極大改善。可參見筆者的文章“SolidWorks 2009性能詳解”。

　　7.人性化及智能性

　　如何使現(xiàn)有的CAD及CAE系統(tǒng)體現(xiàn)以人為本的思想，是目前發(fā)展的一大方向。因此在面向普通設(shè)計者時，對于深奧的CAE名詞、概念及方法是必須摒棄的。

　　因此在使用時必須站在設(shè)計者的角度組織CAE使用習(xí)慣及考慮自動的上下關(guān)聯(lián)智能操作。

　　8.知識工程

　　設(shè)計及分析知識作為企業(yè)最寶貴的財富，如何繼承、組織、歸納和繼承知識是知識工程的一大應(yīng)用領(lǐng)域。這里面涉及到分析庫（圖9）、及PDM集成CAE技術(shù)等多方面的需求。

圖9 集成在設(shè)計環(huán)境中的分析庫 圖10 全產(chǎn)品線的開放性

　　9.開放性

　　基于通用系統(tǒng)的專用平臺是很多企業(yè)提高其使用能力和效率的方法，因此CAD/CAE平臺的開放性是必須的，而且必須能支持最先進的.Net技術(shù)，并且能提供基于.Net的SDK開發(fā)包。圖10為SolidWorks全產(chǎn)品線的開放性API。

　　10.總結(jié)

　　由于篇幅的關(guān)系，筆者無法更多地具體展開論述CAD/CAE系統(tǒng)設(shè)計仿真一體化的發(fā)展趨勢。但可以肯定的是以設(shè)計為導(dǎo)向、分析功能高級化、面向制造的分析、易用且高性能、人性化及智能化、知識工程、開放性等將成為設(shè)計仿真一體化趨勢的典型特征。SolidWorks及其專業(yè)級的CAE分析產(chǎn)品線就是這種趨勢最為典型的代表。