CAE到底是什么?

CAE(Computer Aid Engineer,计算机辅助工程)。按中国话的语法习惯,“计算机辅助工程”是不太容易理解的,工程有什么好辅助的呢,这里可以换一种说法:“计算机辅助工程计算”,是不是觉得好理解了些呢。将CAE理解为计算机辅助工程计算,以与计算机辅助工程设计(CAD)相区分,以避免混淆。

又有人问了:“工程计算指的是什么?工程上有什么需要计算的?设计完了不就OK了么?”

那么我要问了:“设计的出来的各种数据是凭空想象出来的么?产品的长宽高、材料的性能要求、加工装配要求等等各种要求是拍脑袋得到的么?难道不需要计算?”。

因此在工程上,CAE所做的计算工作是用于产品设计的,是为产品设计服务的。

在产品设计的前期、中期及后期,都有可能会应用到CAE。在前期,CAE主要用于概念设计;在中期,CAE主要用于优化设计;在后期,CAE主要用于性能校核。CAE的位置越靠前,对产品设计越有利。很不幸的是,目前我们国家CAE的应用大部分用于产品设计末期,上述用得好的企业可能用于中期。

总结:CAE是一种利用计算机解决工程设计中的计算问题,并利用计算结果数据指导工程设计的方法及手段。

有限元只是一种数学方法,其全称是“有限单元法”,是一种求解偏微分方程的数值方法。其实此类的方法很多,除了有限元法外,还有诸如有限体积法、边界元法、谱方法等等,多达N种,数都数不清。就拿有限元应用最广泛的结构应力计算领域来讲,实际上可以计算结构应力的数学方法很多,有限体积法和边界元法都能做这事儿,而且最近闹得比较火的无网格法、格子-波兹曼方法也可以解决这类问题。实际上结构应力计算就那么个偏微分方程,不管用什么方法,目的都是为了求解那个方程而已。

之所以很多人将CAE误认为是有限元,分析原因可能在于:

目前CAE的一大块应用领域在于结构应力计算,而目前结构应力计算的主流方法是有限元法。

总结:CAE是一种工程技术手段,而有限元只是CAE所使用的众多数学方法中的其中一种数学方法。

CAE能干些什么

CAE能干很多的事情。粗略来说,CAE可应用于以下一些领域:

结构应力计算。这是一个很常见的CAE应用领域,包含的范围及其广泛。常规计算包括静力学计算、模态计算、谐响应分析、谱分析、随机响应分析,更复杂的还包含疲劳计算、裂纹扩展分析等等。

流体流场计算。流体计算是CAE另外一个重要的应用领域。流体计算通常包括常规的流动计算、传热计算、多相流计算、化学反应及燃烧等等。

电磁场计算。其中高频电磁场与低频电磁场又分别包含有不同的计算内容。

声学计算。气动声学与振动声学是两个主要的声学计算领域。

多体动力学计算。机械领域应用相当多的场合,主要用于分析机构在运动过程中的速度、加速度等物理量。

光学计算。(对此领域不熟悉,不过的确是一个很大的CAE应用领域)

多物理场耦合计算。以上各种计算搅和在一起,随着计算机性能的不断增强,越来越多的工程问题可以考虑多物理场耦合计算。

系统仿真。(此领域不怎么熟悉,不过也是一个大的CAE应用领域)

优化设计。工程优化问题通常涉及到大量的数值计算,同时优化设计还需要配合实验设计。

当然可能还有很多其他的领域并未包含进去,不过应该说是包含了大部分的领域。CAE包含的范围实在是太广泛了,因此单纯的去提CAE能干什么,并不是一件很理智的事情。经常有网友在群里问"学CAE要看那些书籍?",对于此类的问题,真真是没有答案的。

总结:CAE的应用范围及其广泛,不讲领域而单纯的去讲CAE的话题是没办法继续下去的。

人在工程CAE中的作用

之所以会有这么一说,其实是源于群中问得最多的一个问题“搞CAE到底是否有前途”。要分析搞CAE是否有前途,那么就必须要弄清楚人在CAE中所起的作用。

随着计算机性能的不断提高,以及人工智能技术的不断发展, 很多人担心自己的饭碗会被计算机抢走,对于只会操作CAE软件的人尤为如此。你想嘛,点鼠标谁不会呢,计算机似乎比人类更擅长,不是吗?

但真实的情况应该是怎样的呢?真正的CAE人员会被人工智能取代么?人脑在CAE中应当处于什么地位?

在谈论这个话题之前,还是强调一点:CAE计算的目的不是为了得到一堆数据或花花绿绿的图片,而是为了发现问题和解决问题。

将来不敢说,不过就目前以及近几年来讲,计算机还只是一个死物。人工智能还远没有发展到使计算机能从复杂的现实世界中抽象出物理模型,以及将CAE计算结果应用到物理模型改进上。举个简单的例子。比如说一个苹果从树上掉下来了。当前的人工智能技术足以使计算机识别到这一现象,但也仅此而已,计算机并不会知道是什么原因导致苹果从树上掉下来。计算机可以识别到苹果下落的速度,但计算机不会知道该如何去控制苹果的下落速度。

工程CAE也是一样,人在其中所起的主要作用我觉得无外乎这两个:

• 其一:告诉计算机现象背后所涉及到的物理模型。

• 其二:利用计算机提供的计算结果找寻规律或指导设计。

有一类CAE从业者容易被人工智能取代。一种是纯粹的软件操作工。只会操作软件,不管物理现象背后的理论背景,不知道如何选择合适的计算模型,得出了计算结果也不会利用。这类人在当前CAE使用者中占了多数,他们熟悉各种前后处理软件以及求解器的操作,但是很遗憾,你点鼠标的速度再快也绝对快不过计算机的。

总结:CAE软件操作并不等同于CAE,单纯的软件操作工是混不长久的。