ＣＡＥ：虚拟试验室

王　嵩

2006年2月，世界上最大的客机，空中客车的巨无霸A380爆出了未能通过静力试验的消息，A380的机翼在达到145％限制载荷时发生断裂，而按照要求，机翼必须要能够承受150％的限制载荷。虽然空客宣称问题并不是致命的，但一次试验却让麻烦不断的A380雪上加霜。

在产品研发过程中，试验总是不可缺少的环节，工程师的构想和创意最终都要通过试验来检验。然而试验却是成本最高昂的环节之一，以A380为例，一次静力试验就要把一架完好的飞机加载到破坏。更严重的是，设计阶段的问题如果在试验中才暴露出来，改进就太迟了，在市场高度竞争的今天，延长产品研发周期无异于自杀。

那么，有什么办法减少试验呢?那就是虚拟试验。

萌芽

科学和技术的概念出现时间并不长，虚拟试验更是只有几十年的事情。在最早的历史上，几乎一切创造都依赖于匠人的手艺，这是一种纯经验的积累，知识体系是散乱的，没有系统的总结。直到三百多年前，牛顿发现三大运动定律，第一次系统地定量描述了宇宙万物的运动规律。这次发现还有一个具有划时代意义的副产品，那就是微积分的发明。微积分为描述客观世界提供了强有力的武器，直到今天，大学教材上基本的物理定律还是用微积分方程书写的。近代科学就这样诞生了。

科学被用于工程实践就是技术，这时候工程师对设计的东西可以进行定量分析了。当然，这并不是一件容易的事情。虽然在科学家的眼里，已知的世界就是一些微分方程的组合，但在工程师看来，解这些方程却无比困难，甚至是不可能的，因为真实的产品复杂多变，根本没有一个数学家能够根据几个微分方程就把产品的使用情况解算出来。

这样，在设计分析的时候，工程师就不得不对实际情况做出很多假定，把产品简化到不能再简化的地步。当然，这样得到的分析结果是相当粗糙的，虚拟试验也就无从谈起。

提高精度的办法是有的，那就是尽量减少假定。实际上，在物理规律已知的情况下，科学家和工程师确实发明了很多方法来分析实际的工程问题，例如有限元法，有限体积法等，这些方法最后都归结为解一大堆多元一次方程。

然而，解方程并不是一个容易的事情，实际工程问题的未知数动辄成千上万，靠人力基本上无力完成。如果有些问题非要解决不可，那就只有不惜代价，就像我国设计原子弹时用很多人敲算盘一样。

还好，计算机时代到来了。计算机最擅长处理大量枯燥的数据运算，美国开发第一台电子计算机的目的就是为其“曼哈顿计划”服务。计算机出现后，首先被用于科学计算。上个世纪五六十年代，由于航空工业的推动，出现了早期的结构分析程序。此后，各国看中了计算机的潜力，纷纷加大投入研究，计算固体力学和计算流体力学的理论开始成熟，出现了一大批通用的分析程序。上世纪七八十年代，这些分析程序不断完善发展，出现了商业化的分析软件，也就是这个时候，计算机辅助工程(CAE，Coml)uter AidedEngmeermg)的概念出现了。

制造业的变革

CAE技术的出现引起了制造业的一场革命。通过CAE技术，对复杂的工程问题进行计算机仿真，可以不通过试验就观察到产品的工作情况和性能，不仅节约成本，而且缩短开发周期。今天，CAE技术已经完全实用化，成为产品开发过程中必不可少的一道环节，应用范围从航空航天、汽车等传统领域扩展到几乎一切领域。CAE技术可以模拟的物理现象也越来越丰富，从最初的结构变形到流体的运动、电磁场，温度和热，甚至是飞机的坠毁，都可以进行模拟。例如对飞鸟撞击湾流公务机机翼进行计算机模拟，模拟的结果用于结构改进设计，很快解决了结构灾难性破坏的问题。

CAE技术发展到今天，主要是作为虚拟试验手段对产品的性能进行分析，判断是否符合设计意图。但是，CAE技术不满足于此，它已经超越了单纯的虚拟试验功能，进而为人们提供更为合理的设计方案——这就是在CAE基础上发展起来的优化技术。传统的设计方法通常是基于经验的，参照已有的类似结构进行设计。由于认识的局限性，选择的方案通常都不是最优的方案，不管设计水平多高，最后的结果要么是不满足要求，要么是付出代价太大，而优化技术恰恰帮人们解决这一矛盾。优化技术正在掀起制造业的又一场革命。A380的机翼前缘肋经过优化之后，强度没有降低，重量却减少了43％，这已经成为航空工业的里程碑。

试验的终结?

CAE技术发展到现在，似乎已经尽善尽美了。那么，它会不会完全取代试验呢?

答案当然是否定的，这有几方面的原因。首先，人类对客观世界的认识远没有到无所不知的地步，相反，人类还很无知。而任何的计算机模拟方法都需要人类对客观规律的充分认知，实践才是检验真理的唯一标准，其次，工程中有许多因素是无法预料的，也是无法通过计算机来模拟的，这些都要通过试验来确定。

然而，CAE技术却可以最大限度地减少重复性的试验，最大限度地降低成本和提高效率。它和计算机辅助设计(CAD)技术一道，构成了制造业信息化的核心。制造业的信息化，是深深影响我们每一个人的变革。

相关链接：

常见CAD／CAE软件简介

●AutoCAD

AuloCAD是众所周知的CAD软件，它提供很强的功能，如多视图、网络支持、文件保存、二次开发、线型帮助、尺寸特征和绘图优化等，其版本也不断升级更新。它是PC机CAD市场的领先者。

●CATIA

CATIA软件是美国IBM公司和法国著名飞机制造公司达索公司共同推出的新一代工业先进水平的CAD／CAE／CAM软件。该软件在各领域得到广泛应用，尤其是在航空和汽车工业中。最典型的用户当属波音飞机公司和美国克莱斯勒汽车公司。波音777飞机就是依赖于CATIA软件而成为第一架100％的数字化设计的飞机。

●Pro／ENGINEER

美国参数科技公司的Pro／Engineer是一套机械设计自动化软件。它能将整个设计至生产制造过程集成在一起。Pro／E软件的长处及独特的地方表现在两个方面：一是它的参数化特征化定义实体造型的功能，从而给工程师们提供设计上的简易和灵活性；另一方面是其独特的数据结构提供在工程上的完全相关性，即在产品开发过程中任何一个地方的更改都会得到其他相关地方的相应自动修改。

●UG

UG软件起源于美国麦道飞机公司，以CAD／CAE／CAM一体化而著称，可以支持目前市场上销售的不同厂家的所有工作站平台。UG软件使用户可以享受到美国工业的心脏和灵魂——航空航天及汽车工业的专门经验，它有较强的模具设计和制造功能。集设计、工程及制造系统于一体的uG软件，现已广泛应用于航空航天、汽车、通用机械及模具等领域。在1995年世界一级方程式赛车大奖赛中，舒马赫驾驶用UG软件设计的赛车，为贝纳通车队一举夺得了总冠军。