CAE到底是什么?

CAE(Computer Aid Engineer,計算機輔助工程)。按中國話的語法習慣,“計算機輔助工程”是不太容易理解的,工程有什么好輔助的呢,這里可以換一種說法:“計算機輔助工程計算”,是不是覺得好理解了些呢。將CAE理解為計算機輔助工程計算,以與計算機輔助工程設(shè)計(CAD)相區(qū)分,以避免混淆。

又有人問了:“工程計算指的是什么?工程上有什么需要計算的?設(shè)計完了不就OK了么?”

那么我要問了:“設(shè)計的出來的各種數(shù)據(jù)是憑空想象出來的么?產(chǎn)品的長寬高、材料的性能要求、加工裝配要求等等各種要求是拍腦袋得到的么?難道不需要計算?”。

因此在工程上,CAE所做的計算工作是用于產(chǎn)品設(shè)計的,是為產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)的。

在產(chǎn)品設(shè)計的前期、中期及后期,都有可能會應(yīng)用到CAE。在前期,CAE主要用于概念設(shè)計;在中期,CAE主要用于優(yōu)化設(shè)計;在后期,CAE主要用于性能校核。CAE的位置越靠前,對產(chǎn)品設(shè)計越有利。很不幸的是,目前我們國家CAE的應(yīng)用大部分用于產(chǎn)品設(shè)計末期,上述用得好的企業(yè)可能用于中期。

總結(jié):CAE是一種利用計算機解決工程設(shè)計中的計算問題,并利用計算結(jié)果數(shù)據(jù)指導(dǎo)工程設(shè)計的方法及手段。

有限元只是一種數(shù)學方法,其全稱是“有限單元法”,是一種求解偏微分方程的數(shù)值方法。其實此類的方法很多,除了有限元法外,還有諸如有限體積法、邊界元法、譜方法等等,多達N種,數(shù)都數(shù)不清。就拿有限元應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算領(lǐng)域來講,實際上可以計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力的數(shù)學方法很多,有限體積法和邊界元法都能做這事兒,而且最近鬧得比較火的無網(wǎng)格法、格子-波茲曼方法也可以解決這類問題。實際上結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算就那么個偏微分方程,不管用什么方法,目的都是為了求解那個方程而已。

之所以很多人將CAE誤認為是有限元,分析原因可能在于:

目前CAE的一大塊應(yīng)用領(lǐng)域在于結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算,而目前結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算的主流方法是有限元法。

總結(jié):CAE是一種工程技術(shù)手段,而有限元只是CAE所使用的眾多數(shù)學方法中的其中一種數(shù)學方法。

CAE能干些什么

CAE能干很多的事情。粗略來說,CAE可應(yīng)用于以下一些領(lǐng)域:

結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算。這是一個很常見的CAE應(yīng)用領(lǐng)域,包含的范圍及其廣泛。常規(guī)計算包括靜力學計算、模態(tài)計算、諧響應(yīng)分析、譜分析、隨機響應(yīng)分析,更復(fù)雜的還包含疲勞計算、裂紋擴展分析等等。

流體流場計算。流體計算是CAE另外一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。流體計算通常包括常規(guī)的流動計算、傳熱計算、多相流計算、化學反應(yīng)及燃燒等等。

電磁場計算。其中高頻電磁場與低頻電磁場又分別包含有不同的計算內(nèi)容。

聲學計算。氣動聲學與振動聲學是兩個主要的聲學計算領(lǐng)域。

多體動力學計算。機械領(lǐng)域應(yīng)用相當多的場合,主要用于分析機構(gòu)在運動過程中的速度、加速度等物理量。

光學計算。(對此領(lǐng)域不熟悉,不過的確是一個很大的CAE應(yīng)用領(lǐng)域)

多物理場耦合計算。以上各種計算攪和在一起,隨著計算機性能的不斷增強,越來越多的工程問題可以考慮多物理場耦合計算。

系統(tǒng)仿真。(此領(lǐng)域不怎么熟悉,不過也是一個大的CAE應(yīng)用領(lǐng)域)

優(yōu)化設(shè)計。工程優(yōu)化問題通常涉及到大量的數(shù)值計算,同時優(yōu)化設(shè)計還需要配合實驗設(shè)計。

當然可能還有很多其他的領(lǐng)域并未包含進去,不過應(yīng)該說是包含了大部分的領(lǐng)域。CAE包含的范圍實在是太廣泛了,因此單純的去提CAE能干什么,并不是一件很理智的事情。經(jīng)常有網(wǎng)友在群里問"學CAE要看那些書籍?",對于此類的問題,真真是沒有答案的。

總結(jié):CAE的應(yīng)用范圍及其廣泛,不講領(lǐng)域而單純的去講CAE的話題是沒辦法繼續(xù)下去的。

人在工程CAE中的作用

之所以會有這么一說,其實是源于群中問得最多的一個問題“搞CAE到底是否有前途”。要分析搞CAE是否有前途,那么就必須要弄清楚人在CAE中所起的作用。

隨著計算機性能的不斷提高,以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展, 很多人擔心自己的飯碗會被計算機搶走,對于只會操作CAE軟件的人尤為如此。你想嘛,點鼠標誰不會呢,計算機似乎比人類更擅長,不是嗎?

但真實的情況應(yīng)該是怎樣的呢?真正的CAE人員會被人工智能取代么?人腦在CAE中應(yīng)當處于什么地位?

在談?wù)撨@個話題之前,還是強調(diào)一點:CAE計算的目的不是為了得到一堆數(shù)據(jù)或花花綠綠的圖片,而是為了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

將來不敢說,不過就目前以及近幾年來講,計算機還只是一個死物。人工智能還遠沒有發(fā)展到使計算機能從復(fù)雜的現(xiàn)實世界中抽象出物理模型,以及將CAE計算結(jié)果應(yīng)用到物理模型改進上。舉個簡單的例子。比如說一個蘋果從樹上掉下來了。當前的人工智能技術(shù)足以使計算機識別到這一現(xiàn)象,但也僅此而已,計算機并不會知道是什么原因?qū)е绿O果從樹上掉下來。計算機可以識別到蘋果下落的速度,但計算機不會知道該如何去控制蘋果的下落速度。

工程CAE也是一樣,人在其中所起的主要作用我覺得無外乎這兩個:

• 其一:告訴計算機現(xiàn)象背后所涉及到的物理模型。

• 其二:利用計算機提供的計算結(jié)果找尋規(guī)律或指導(dǎo)設(shè)計。

有一類CAE從業(yè)者容易被人工智能取代。一種是純粹的軟件操作工。只會操作軟件,不管物理現(xiàn)象背后的理論背景,不知道如何選擇合適的計算模型,得出了計算結(jié)果也不會利用。這類人在當前CAE使用者中占了多數(shù),他們熟悉各種前后處理軟件以及求解器的操作,但是很遺憾,你點鼠標的速度再快也絕對快不過計算機的。

總結(jié):CAE軟件操作并不等同于CAE,單純的軟件操作工是混不長久的。