计算机辅助工程（CAE）的现在和未来分析

刘金辉

数字仿真通常被称为计算机辅助工程（CAE）。利用数字仿真，可以评审更多概念，以更快的速度做出更好的决策，最后确定性能更好的产品设计方案，为企业带来更高的利润。本文分析了现阶段计算机辅助工程（CAE）软件应用过程中存在弊端，提出了CAE未来发展的方向以供参考。

【关键词】计算机 仿真 生态化 CAE

1 现阶段计算机辅助工程（CAE）软件应用过程中存在弊端

中国企业在规模化应用CAE软件的过程中，不约而同的遇到了以下关于计算机辅助工程（CAE）计算资源管理方面的问题。部分企业在购置了若干高性能的工作站，昂贵的CAE软件之后，难以建立合理机制在项目团队之间进行共享，大规模计算需求经常会遇到硬件资源瓶颈而无法解决，同时因为硬件设备固有的淘汰周期而降低了硬件资源的投资回报率。还有企业中CAE相关的软硬件资源基本属于静态分配，无法实时的将软硬件资源转化为高效率的研发生产力，无法为后续CAE资源配置提供数据支持与策略指导。除此之外，分散型的CAE计算资源成为后续工作的一大难点。如何利用自动化的IT手段实时监管CAE数据的生产过程，从而有效的监管并规范CAE工作流程，这将是CAE工作顺利集成进入研发流程的必须逾越的一道障碍。部分工业用户选择了某些国外品牌的高性能计算调度工具软件包，冀望借助其任务排队策略实现CAE计算资源的共享，然而这些软件的易用性与可扩展性方面的缺陷，常常让CAE应用工程师望而却步，造成高端计算资源的投资损失。

2 目前计算机辅助工程（CAE）的主要方案

为了在产品开发环境中实现最优的数字仿真水平，许多企业提供一套综合的CAE解决方案，旨在满足各级用户的需求。

2.1 高级仿真环境

首先提供一个高级仿真环境，为高级分析提供了多种解决方案，包括了NX Advanced Simulation，一个解决方案组合，合并了一个集成化的NX Nastran 解算器和NX Advanced FEM-一组范围广泛的模型创建和评审工具。利用广泛的几何图形理想化和提取功能，可以快速开发复杂的数学模型，这样就可以根据对真实产品性能的理解做出设计决策。 还包括NX Nastran，一个独立或无缝集成的解决方案，是很多NX Digital Simulation产品的核心，用于定义高级FEA解算器的世界标准。除此之外还有开放的CAE环境，可以用于在一个在几何结构复杂、多CAD系统、多物理场环境中快速创建并评审有限元仿真。

2.2 多解决方案环境

包括一个自定义的环境，用于行业领先的结构解算器，包括 ABAQUS、ANSYS、MSC.NASTRAN 和 NX Nastran。 其中NX Flow提供一套嵌入解算器，在开发过程中用于仿真复杂的流动分析问题。 NX Thermal可以有效仿真稳态和瞬态热响应，包括循环过程。NX Nastran 用于对部件以及系统级的结构性能进行仿真。

2.3 设计仿真环境

通过利用可重复的最佳实践，UGS提供了一个高级环境，为Design Simulation Environment（“设计仿真环境”）提供支持。运用该解决方案提供的各项功能，工程师可以直接在设计环境里面利用高级分析技术。该解决方案提供的产品包括NX Design Simulation，是一个设计集成、易用的NX应用程序，可以帮助设计人员和工程师自然地预测部件和装配的结构耐久性、强度、振动、bucking（浸渍）和热行为。还包括NX Motion Simulation，能够帮助用户根据功能性能设计目标预测装配和产品的复杂运动行为；该解决方案包括一整套工具，涵盖了高级、动态、静态和运动学仿真的所有方面。

2.4 仿真流程自动化

利用供应商提供的解决方案，可以通过CAE分析制定准则，确保CAE经验有限的设计人员在整个CAE环境中都能进行安全操作，确保最终用户获得真实、可靠的结果，而最困难、最复杂的工作则由CAE专家执行。这里NX Simulation Process Studio是一个图形工具箱，用于创建CAE最佳实践向导（比如NX Strength Wizard），对其进行自定义以满足客户专用的CAE过程和设计分析要求。NX Strength Wizard通过为用户提供清楚、简明的指导，在快速、简单的结构分析中为不精通仿真技术的用户设定新标准，帮助引导用户完成五个快速、简单的仿真步骤，用有限元分析（FEA）方法来安全地分析设计。有了Quick Check，公司可以用自动化检查工具来监控零件和装配模型的质量、重量、关键尺寸以及其它参数。每次模型更新后，这些自动化检查工具都会随之重复。

3 计算机辅助工程未来发展的方向

首先我们看到生态参与者正在释放出很多重要信号，计算机辅助工程软件原厂商正在尝试推出Cloud License，用户使用计算机辅助工程软件将可以按需付费，同时也和公共云Amazon、Azure等合作推出许可证+硬件+软件的一体化在线服务；国内的计算机辅助工程软件代理商也正在由单纯的工具提供者逐步转型为知识提供者，或者转变为流程、数据管理软件商；国内的计算机辅助工程公共服务平台也演化为两种类型，一类是以上海超级计算中心为代表，积极实践计算机辅助工程混合云计算服务模式，一类以北京市计算中心为代表，创新开拓工业云应用商店。

“云”是一种基于互联网络的共享基础架构的计算模式，也是未来CAE发展的方向，可以将IT硬件、网络、数据以及软件应用等整合成为直观、易用的资源池，并通过网络为用户提供在线服务。在信息化革命浪潮的新阶段，云计算模式被视为并行计算、分布式计算和网格计算的发展，是虚拟化、效用计算、基础设施即服务、平台即服务、软件即服务等概念混合演进并跃升的结果。仿真云是云计算模式在先进制造业的一项极为重要的应用实践，是将多学科仿真应用、高性能计算集群管理、SOA、Web Service等IT技术高度融合的企业级计算资源管理系统解决方案。仿真云是建设于高性能计算、高清虚拟化等基础架构之上的CAE计算资源管理系统，能够实现以下重要功能。

4 小结

面对计算机辅助工程资源生态的发展新动态，建议企业首先要有一个核心理念，建立ECRP管理体系，从战略方法上占领一个高度，还要要扩展计算资源的服务形式，把很多成熟的计算机辅助工程计算模板转化为企业的研发知识，形成统一在线的计算服务，促进其更好发展。

参考文献

[1]申长雨，李海梅；塑料模具CAE技术概况及发展趋势[J].工程塑料应用，2013（02）.

[2]刘检华，郭钢，徐宗俊，蹇开林，张力.计算机辅助工程应用及展望[J].重庆大学学报（自然科学版），2014（06）.

作者单位

黑龙江省计算机软件研究中心 黑龙江省哈尔滨市 150028