CAE到底是什么?

CAE(Computer Aid Engineer,計(jì)算機(jī)輔助工程)。按中國(guó)話的語(yǔ)法習(xí)慣,“計(jì)算機(jī)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(shuō)法:“計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算”,是不是覺(jué)得好理解了些呢。將CAE理解為計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算,以與計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)(CAD)相區(qū)分,以避免混淆。

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

那么我要問(wèn)了:“設(shè)計(jì)的出來(lái)的各種數(shù)據(jù)是憑空想象出來(lái)的么?產(chǎn)品的長(zhǎng)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(jì)算?”。

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

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期、中期及后期,都有可能會(huì)應(yīng)用到CAE。在前期,CAE主要用于概念設(shè)計(jì);在中期,CAE主要用于優(yōu)化設(shè)計(jì);在后期,CAE主要用于性能校核。CAE的位置越靠前,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)越有利。很不幸的是,目前我們國(guó)家CAE的應(yīng)用大部分用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)解決工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算問(wèn)題,并利用計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的方法及手段。

有限元只是一種數(shù)學(xué)方法,其全稱(chēng)是“有限單元法”,是一種求解偏微分方程的數(shù)值方法。其實(shí)此類(lèi)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(dá)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(jì)算領(lǐng)域來(lái)講,實(shí)際上可以計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力的數(shù)學(xué)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(wú)網(wǎng)格法、格子-波茲曼方法也可以解決這類(lèi)問(wèn)題。實(shí)際上結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算就那么個(gè)偏微分方程,不管用什么方法,目的都是為了求解那個(gè)方程而已。

之所以很多人將CAE誤認(rèn)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(jì)算,而目前結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)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(xué)方法中的其中一種數(shù)學(xué)方法。

CAE能干些什么

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

結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算。這是一個(gè)很常見(jiàn)的CAE應(yīng)用領(lǐng)域,包含的范圍及其廣泛。常規(guī)計(jì)算包括靜力學(xué)計(jì)算、模態(tài)計(jì)算、諧響應(yīng)分析、譜分析、隨機(jī)響應(yīng)分析,更復(fù)雜的還包含疲勞計(jì)算、裂紋擴(kuò)展分析等等。

流體流場(chǎng)計(jì)算。流體計(jì)算是CAE另外一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。流體計(jì)算通常包括常規(guī)的流動(dòng)計(jì)算、傳熱計(jì)算、多相流計(jì)算、化學(xué)反應(yīng)及燃燒等等。

電磁場(chǎng)計(jì)算。其中高頻電磁場(chǎng)與低頻電磁場(chǎng)又分別包含有不同的計(jì)算內(nèi)容。

聲學(xué)計(jì)算。氣動(dòng)聲學(xué)與振動(dòng)聲學(xué)是兩個(gè)主要的聲學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。

多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算。機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)多的場(chǎng)合,主要用于分析機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度、加速度等物理量。

光學(xué)計(jì)算。(對(duì)此領(lǐng)域不熟悉,不過(guò)的確是一個(gè)很大的CAE應(yīng)用領(lǐng)域)

多物理場(chǎng)耦合計(jì)算。以上各種計(jì)算攪和在一起,隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷增強(qiáng),越來(lái)越多的工程問(wèn)題可以考慮多物理場(chǎng)耦合計(jì)算。

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

優(yōu)化設(shè)計(jì)。工程優(yōu)化問(wèn)題通常涉及到大量的數(shù)值計(jì)算,同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)還需要配合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

當(dāng)然可能還有很多其他的領(lǐng)域并未包含進(jìn)去,不過(guò)應(yīng)該說(shuō)是包含了大部分的領(lǐng)域。CAE包含的范圍實(shí)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(wèn)"學(xué)CAE要看那些書(shū)籍?",對(duì)于此類(lèi)的問(wèn)題,真真是沒(méi)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(méi)辦法繼續(xù)下去的。

人在工程CAE中的作用

之所以會(huì)有這么一說(shuō),其實(shí)是源于群中問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)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(jì)算機(jī)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(dān)心自己的飯碗會(huì)被計(jì)算機(jī)搶走,對(duì)于只會(huì)操作CAE軟件的人尤為如此。你想嘛,點(diǎn)鼠標(biāo)誰(shuí)不會(huì)呢,計(jì)算機(jī)似乎比人類(lèi)更擅長(zhǎng),不是嗎?

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

在談?wù)撨@個(gè)話題之前,還是強(qiáng)調(diào)一點(diǎn):CAE計(jì)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(wèn)題和解決問(wèn)題。

將來(lái)不敢說(shuō),不過(guò)就目前以及近幾年來(lái)講,計(jì)算機(jī)還只是一個(gè)死物。人工智能還遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)展到使計(jì)算機(jī)能從復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界中抽象出物理模型,以及將CAE計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到物理模型改進(jìn)上。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子。比如說(shuō)一個(gè)蘋(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)了。當(dāng)前的人工智能技術(shù)足以使計(jì)算機(jī)識(shí)別到這一現(xiàn)象,但也僅此而已,計(jì)算機(jī)并不會(huì)知道是什么原因?qū)е绿O(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)。計(jì)算機(jī)可以識(shí)別到蘋(píng)果下落的速度,但計(jì)算機(jī)不會(huì)知道該如何去控制蘋(píng)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(jué)得無(wú)外乎這兩個(gè):

• 其一:告訴計(jì)算機(jī)現(xiàn)象背后所涉及到的物理模型。

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

有一類(lèi)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(huì)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(jì)算模型,得出了計(jì)算結(jié)果也不會(huì)利用。這類(lèi)人在當(dāng)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(diǎn)鼠標(biāo)的速度再快也絕對(duì)快不過(guò)計(jì)算機(jī)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(zhǎng)久的。