2CAE简介
作为国内工业界推广应用CAE的基础，有必要简要介绍CAE的概念、应用、分析过程、作用及发展趋势。一方面，对CAE有初步的又是较系统的认知，另一方面，在了解国际范围内CAE应用的历史和现状的基础上，CAE的各类用户可以对自身目前CAE的应用进行多视角的比较。
2.1 CAE的基本概念、特点及作用
广泛地说，CAE可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是目前通常所说的CAE主要指用计算机及其相关的软件工具对工程、设备及产品进行功能、性能与安全可靠性进行分析计算、校核和量化评价；对其在给定工况下的工作状态进行模拟仿真和运行行为预测；发现设计缺陷，改进和优化设计方案，并证实未来工程、设备及产品的功能和性能的可用性和可靠性。
一般地，CAE在工程应用上的定义为：CAE是一种在二维或三维几何形体（CAD）的基础上，运用有限元（FE）、边界元（BE）、混合元（ME）、刚性元（RE）、有限差分和最优
化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。其核心技术为有限元与最优化技术。
CAE的特点是以工程和科学问题为背景，建立相应的计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受方法和条件限制无法分析的很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题，通过计算机数值模拟可得到满意的解答；另一方面，CAE使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确, 在产品的设计、分析、新产品的开发以及对已有产品的故障分析等方面发挥了重要作用。同时，CAE技术的迅速发展和应用又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。还应客观地说明，在产品开发中，由概念设计、初步设计、详细设计到试验，再修正设计，再试验，直到满足产品要求，试验一直是不可或缺的。CAE仿真分析技术的引入也许永远不能彻底消除这一既费时又费料的环节，但是已经被成功应用，最大限度地减少或缩短了这一环节。
CAE与CAD / CAM／CAPP／PDM / ERP的方法、技术和相应的软件一起，已经成为企业家和工程师们实现工程/产品创新的得力助手和有效工具，掌握它们并加以合理有效的应用，
将形成企业核心创新能力的有力支撑，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。
国际工程界普遍认为，工程和制造企业的生命力在于工程/产品的创新，而对于工程师来说，实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要的技术手段之一，就是采用先进可靠的CAE软件和CAE分析方法与过程。
国内工程界也逐步对CAE的作用有了共识。认识到 CAE是一种迅速发展和应用中的综合信息技术，是实现重大工程和工业产品的计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计的重要的工具和手段。工程和产品创新为CAE 发展提供了强大的动力，信息技术的飞速发展为CAE技术的提升提供了技术基础。国家大型设计研究院所，包括冶金设计院所（如中冶赛迪、中冶京诚、中冶南方、中冶东方等）也认为CAE在复杂系统的工程和设备计算分析方面将成为最核心的技术和手段。
国内外的实践表明，在影响CAE发展和应用的诸多因素中，人才、计算机硬件和分析软件是三个核心的要素。装备性能优良的计算机及其相关系统，选择高效适用的前后处理和求
解分析软件，以及拥有对分析对象有深刻了解并较熟练的掌握了CAE技术的专业设计及分析人员团队，是一个创新型企业具备CAE技术和专业领域应用能力的基础和必要条件。
一个复杂机械设备系统的研发、设计、性能评价和故障分析过程中，CAE起着目前尚无其他的解析或经验分析计算能替代的作用，它可以在零件、部件系统及整机三个层面上进行仿真、计算与分析。一个多参数的工艺或制造过程的仿真模拟、力能计算和参数优化中，也可得到对象局部、相互关系和全域的结果。
更具体地，计算机辅助技术已经成为可由工程师掌握的现代设计方法的主要手段和工具，而其中的CAE技术又成为现代设计流程的核心，因为CAE具有以下功能和作用：
(1) 应用数学模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性和设计指标的准确性；
    (2) 采用各种优化技术，在可行域中出产品设计最佳方案 ；
    (3) CAE所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个使用周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性；
(4)  模拟各种试验方案福特公司简介，减少过去所需的试验次数和时间，缩短设计周期，降低开发成本；
(5) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；
    (6) 进行工程或设备事故分析，查事故原因；
(7) 知识的获取是现代设计的关键，只有CAE才能真正提高设计者的知识技能，而其他手段通常都只能起到使设计者工作更顺手、能更好地表达设计意图等作用，较少增加关键知识。比如，一个复杂设备系统振动模态振型是很难想象出来的，通过CAE的振动模态分析并动态显示振型及其能量分布结果，设计者可较准确且直观地获取振动形态以及哪个或哪些零部件对设备系统整体的振动影响较大的关键知识，从而可进一步改进设计，提高设备的动态性能。
2.2 CAE的发展及应用现状
在工程界，特别是从设计及制造业应用的层面来看，衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。我们主要从这个角度出发，简要回顾CAE的发展，并通过一些典型实例，介绍它目前的应用状况。
2.2.1 CAE的发展历程
从应用数学和应用力学的角度考虑，CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自1943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解St.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念。1960年Cough 在求解平面弹性问题的过程中第一次提出了有限单元法的名称。直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，作为CAE的核心的有限元理论依靠数值计算方法，才在实际应用中迅速发展起来。
1960～1970年，有限元的理论及其相关的数值方法处于发展阶段，分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题，又由于当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点，CAE软件处于探索时期。1963年Macneal-Schwendler Corporation （MSC）公司成立，开发了第一个结构分析软件SADSAM。MSC于1965年和美国计算科学公司、贝尔航空系统公司一起参与美国国家航空及航天局 (NASA) 发起的NASTRAN有限元分析系统的研究和开发，在1972年以后独立地拥有并商业运作MSC.Nastran.。1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab (后并入I-DEAS) 。1970年Swanson Analysis System，Inc. (SASI) 成立，后来重组后改称ANSY
S公司，开发ANSYS软件。当时世界上的这三大CAE公司先后完成了组建工作，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。
1970～1980年代是CAE技术蓬勃发展的时期，一方面SDRC，MSC，ANSYS等在技术和应用继续创新外，新的CAE商业软件公司迅速成立。1971年Marc 公司成立，致力于发展用于高级工程分析的通用有限元程序，Marc程序重点处理非线性结构和热应力问题。1977年Mechanical Dynamics Inc. (MDI) 公司成立，其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。1978年Hibbitt Karlsson & Sorensen, Inc.公司成立，其ABAQUS软件主要应用于结构非线性和接触问题分析。1983年CSAR成立。其CSA/nastran主要针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。1983年AAC成立，其程序COMET主要用于噪声及结构噪声优化等领域。Computer Aided Design Software，Inc的PolyFEM软件包提供线性静态、动态及热分析。1986年ADINA公司组建，其软件亦为结构、流体及流固耦合的大型通用有限元分析软件。1987年Livermore Software Technology Corporation成立，其产品LS-DYNA及LS-NIKE30用隐式上算法求解低高速动态特征问题。1988年Flomerics公司成立，提供用于带脑子系统内部空气流及热传递的分析程序。1989年Engineering Software Kessemochand Development公司成立，致力于发展Ｐ法有限元程序。同时期还有多家专
业性软件公司投入专业CAE程序的开发。这一时期的CAE发展的特点：软件主要集中在计算精度、速度和硬件平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功，从力学模型开始拓展到各类物理场(如温度场、磁场、声波场)的分析；从线性分析向非线性分析(如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran，ANSYS，ADINA，SAP系列，DYNA-3D，ABAQUS，NIKE3D与WECAN，BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等。除美国之外，德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS等欧洲公司纷纷推出自己的CAE软件产品。使用者多数为领域专家且集中在航空航天、汽车及军事等领域。这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。
上世纪90年代直到现在，是CAE技术的成熟并为工业界广为接受和应用的时期。这一时期，CAD经过多年的发展，经历了从线框CAD技术到曲面CAD技术，再到参数化技术，直到目前的变量化技术，为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。CAD软件开发商一方面大力发展自身CAD软件的功能，如世界排名前几位的CAD软件CATIA，CADDS，UG，I-DEAS，Pro/E都增加了基本的CAE前后处理及一般的线性、模态分析功能，可在零件水平
上设计的同时进行初步的分析，另一方面，通过并购另外的CAE软件来增加其软件的CAE功能。最近的一个例子是，Dassault Systems（CATIA的开发商）在2005年 继收购了碰撞分析的专用CAE软件Radioss后，又斥巨资收购了ABAQUS，并宣称将在2006年推出完全无缝的CAD/CAE集成虚拟设计平台，此举已在2007年，从而使得CAD和CAE实现无安全无缝对接并基于同一个虚拟设计平台上的交互。在CAD软件商大力增强其软件CAE功能的同时，各大分析软件也在向CAD靠拢。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口，并增强软件的前后处理能力。如MSC.Nastran先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样ANSYS也在大力发展其软件的ANSYS/Prepost前后处理功能，相继开发了ANSYS与PRO/E、UG、CATIA的接口，可以直接读取这些CAD软件的几何模型。而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能强大的优势，积极开发与别的CAD模型传输接口，先后投放了Pro/E to I-DEAS，CATIA to/from I-DEAS，UG to/from I-DEAS，CADDS4/5 Solid to/from I-DEAS的前后处理功能，以保证CAD/CAE的相关性。这一时期的CAE软件一方面与CAD软件紧密结合，另一方面扩展CAE本身的功能。MSC在1994年收购了Patran作为自己的前后处理软件后，接连将SSC、AR、MARC，ADAMS等纳入旗下，现在已拥有十几个产品，包括用于高度非线性瞬态动力问题的MSC. Dytran等。ANSYS也把其产品
扩展为ANSYS/Mechanical，ANSYS/LS-DYNA，ANSYS/prepost等多个应用软件。而SDRC则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了耐用性、噪声与震动、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等专项应用技术，并将有限元技术与实验技术有机地结合起来，开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。