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的真正內涵，進而探究了CAE與CAD之間的關系。論述了CAD/CAE系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢是實現設計仿真的一體化。提出了以設計為導向、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、開放性等將成為設計仿真一體化趨勢的典型表現。最后以SolidWorks及其專業(yè)級的CAE分析產品線為例進行了詳細的論述與論證。
1.前言
設計分析一體化是目前所有CAD公司追求的一個主要目標，其核心意圖就是為了實現在設計過程中，充分考慮產品的性能和優(yōu)化，提升產品質量和改善產品性能。
2.幾個重要概念及其誤區(qū)
a)什么是CAD？
CAD，即計算機輔助設計（Computer Aided Design,CAD），其概念和內涵正在不斷地發(fā)展中。1972年10月，國際信息處理聯合會（IFIP）在荷蘭召開的“關于CAD原理的工作會議”上給出如下定義：CAD是一種技術，其中人與計算機結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，并為應用多學科方法的綜合性協作提供了可能。CAD是工程技術人員以計算機為工具，對產品和工程進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱。
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技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數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，使復雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確。在產品的設計、分析、新產品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時CAE這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發(fā)展，技術的發(fā)展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步。
c)什么是設計（Design）
最簡單的關于設計的定義、就是一種“有目地的創(chuàng)作行為”。
根據工業(yè)設計師 Victor Papanek 的定義，設計（design）是為構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、技術和行業(yè)上的需求和限制；
第二步：將這些所知道的東西轉化為對產品的規(guī)劃（或者產品本身），使得產品的形式、內容和行為變得有用、能用，令人向往，并且在經濟和技術上可行。（這是設計的意義和基本要求所在）
這個定義可以適用于設計的所有領域，盡管不同領域的關注點從形式、內容到行為上均有所不同。
1978年諾貝爾經濟學獎 Herbert Simon 發(fā)表著名文章對設計給出著名定義“設計就是找到一種行動方式 ，目的是把現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計。
ii.誤區(qū)2 現代設計就是CAD
從前面關于設計的定義，設計包含了人、知識、工具、環(huán)境等多方面的結合，因此CAD僅僅只是工具，利用適合設計者的工具可以幫助設計者更快、更好的進行設計。
iii.CAE是有限元分析（FEA）
CAE（Computer Aided Engineering）計算機輔助工程，涉及到多學科的問題，針對不同的學科，產生了各種仿真分析的數學工具。如FEA（有限元分析），多體動力學，CFD（計算流體力學），有限差分法，邊界元法，無網格法，加權余量法等等。他們針對不同的領域，各具優(yōu)勢。如FEA適合解決結構的強度、剛度、疲勞等問題；多體動力學適合解決多剛體系統(tǒng)的運動學和動力學特性；CFD適合解決流體的流動和熱問題；因此FEA僅僅是CAE的一個領域。
iv.誤區(qū)3 CAE獨立于CAD
從前面關于CAD的定義“ CAD是工程技術人員以計算機為工具，對產品和工程進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱。”CAD中必須含有分析（CAE），也就是說面對設計，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和計算機輔助設計的真正內涵。
現在幾乎所有的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，但是都充分體現了設計分析一體化是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.以設計為導向
在制造型企業(yè)中CAE的目的優(yōu)化和改進產品設計，因此分析應該無縫融入到設計過程中。因此，單一無縫的CAD/CAE界面是使用的基礎。另外，仿真分析如何無縫的融入設計過程，減少設計人員使用CAE系統(tǒng)的難度也是目前發(fā)展的方向。仿真向導等技術精彩的體現了“以設計為導向”的先進思路。
下面以SolidWorks的Simulation產品簡單介紹，從SolidWorks2009開始，其著名的FEA軟件COSMOSWorks改名為SolidWorks Simulation。其為了體現設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的設計過程中。
SolidWorks Simulation的仿真向導，包含以下顧問向導：算例顧問（圖2）、性能顧問（圖 3）、約束和載荷顧問、連接顧問、結果顧問
圖2算例顧問 圖3性能顧問
4.分析功能高級化；
實際產品的運用環(huán)境非常復雜，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的難度，下面分別論述。
a)系統(tǒng)及部件級分析
以FEA為例，為了實現有價值的分析，設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系和接觸關系。
其中連接關系的處理尤其重要，涉及到螺栓連接、銷釘連接、彈簧、點焊、軸承等非常復雜的連接關系（圖4）。
圖4 面向設計者及分析專家的裝配體連接關系
b)多領域的全面分析
任何一個產品決計不能僅考慮靜強度，必須考慮多領域的問題，比如靜強度、動強度、模態(tài)、疲勞、參數優(yōu)化等。圖5展示了在統(tǒng)一界面下產品的多領域分析。
圖5統(tǒng)一界面下產品的多領域分析 圖6 面向設計者的多場耦合分析
c)面向設計者的多場耦合
熱-結構、流體-結構、多體動力學-結構等多場分析是目前分析中的一個重要發(fā)展方向，他可以解決非常復雜的工程問題（圖6）。
d)特殊行業(yè)及領域的需求
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標準的壓力容器校核工具（圖7）；面對電子和消費品領域，需要解決跌落分析的能力（圖8）。
圖7壓力容器應力線性化 圖8 望遠鏡跌落分析
e)高級分析需求
面對日益復雜的使用環(huán)境，必須考慮復合材料、材料非線性、高級機械振動、非線性動力學等高級分析的需求。
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品的新技術。如SolidWorks2009推出了劃時代的SpeedPak技術解決了大型裝配體設計、裝配和工程圖性能的問題。其CAE產品線更在大裝配、多CPU/多核等的FEA分析、運動學及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
如何使現有的CAD及CAE系統(tǒng)體現以人為本的思想，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計者的角度組織CAE使用習慣及考慮自動的上下關聯智能操作。
8.知識工程
設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用領域。這里面涉及到分析庫（圖9）、及PDM集成CAE技術等多方面的需求。
圖9 集成在設計環(huán)境中的分析庫 圖10 全產品線的開放性
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，并且能提供基于.Net的SDK開發(fā)包。圖10為SolidWorks全產品線的開放性API。
10.總結
由于篇幅的關系，筆者無法更多地具體展開論述CAD/CAE系統(tǒng)設計仿真一體化的發(fā)展趨勢。但可以肯定的是以設計為導向、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分析產品線就是這種趨勢最為典型的代表。