CAD/CAE的區別與系統發展 - 全文

　　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

　　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，發揮各自所長，從而使其工作優于每一方，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、新產品的開發等方面發揮了重要作用，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展，技術的發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“有目地的創作行為”。

　　根據工業設計師 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，并理解業務、技術和行業上的需求和限制;

　　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：

　　i.誤區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系統是不完整的計算機輔助設計系統。

　　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系統的發展方向。下面將具體論述設計分析一體化的CAD/CAE系統的將成為發展的必然。

　　3.以設計為導向

　　在制造型企業中CAE的目的優化和改進產品設計，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系統的難度也是目前發展的方向。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，因此必須進行系統及部件級的分析。但是系統及部件級的分析存在著相當的難度，下面分別論述。

　　a)系統及部件級分析

　　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、疲勞、參數優化等。圖5展示了在統一界面下產品的多領域分析。

　　圖5統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展方向，他可以解決非常復雜的工程問題(圖6)。

　　d)特殊行業及領域的需求

　　面對很多行業有很多特殊需求，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系統體現以人為本的思想，是目前發展的一大方向。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。