CAE（計算機輔助工程）-三個皮匠報告百科

CAE(計算機輔助工程)是什么

CAE全稱是Computer Aided Engineering，即計算機輔助工程，這是一種在工業制造業產品研發設計過程中廣泛應用的技術軟件。CAE以有限元法、有限差分法及有限體積法等數學基礎，用計算機輔助求解并優化復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等性能的近似數值分析方法。具體而言，就是以三維實體建模為基礎，在產品設計階段開始，通過模擬產品在結構強度、熱傳導、剛度、運動學等方面的工作狀態和表現，為產品功能、性能的可用性和可靠性提供依據，從而實現產品設計的優化，目前已廣泛應用于汽車、航空航天、電子裝備、國防軍工等領域。

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CAE與CAD的關系

(1)從本質上來看，CAD負責設計產品，，CAE負責驗證產品性能。CAD是CAE的基礎，缺少了CAE的CAD系統是不完整的計算機輔助設計系統。在CAE中無論是單個零件、還是整機的有限元分析及機構的運動分析，都需要CAD為其造型、裝配。目前，眾多廠商在CAD環境中融入CAE ，充分展現設計分析一體化是CAD/CAE系統的發展方向，但是CAE市場相對而言，較為細窄，企業需要不斷并購以求橫向擴展市場

(2)從重要性上來看，在產品設計與改進中，CAE可以減少式樣次數、縮短產品開發周期、降低產品開發費用、降低設計風險、優化設計方案、提升設計效率。

(3)從發展趨勢上來看，CAE與CAD未來可能趨于融合。過去的設計與仿真之間界限分明，CAD軟件兼具通用性質與垂直性質，而CAE軟件則更強調行業與場景下的工程問題的解決，分工明確。但隨著時代的發展，研發設計將承擔越來越多的職責，特別是并行工程(Concurrent Engineering，CE)等概念從提出到落地，研發已經逐漸從最初的注重產品的外在性質到同時關注產品可生產性、物料可采購性、客戶需求全面性、產品可維護性以及產品可盈利性等多樣特性。

CAE軟件結構

CAE軟件基本結構的主要組成部分有用戶界面、數據管理系統、數據庫、專家系統和知識庫五大模塊。數據管理系統是CAE軟件在進行性能分析或模擬時的核心部件，一方面通過接口實現CAD、CAM等格式文件的輸入，另一方面提供前處理、求解分析(大多為有限元分析)、后處理三個流程實現仿真模擬^[1]。

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CAE軟件核心工作流程包括前處理、求解、后處理、優化、報告。

(1)前處理過程包括幾何圖形處理、網格劃分等；前處理模塊的主要用于對工程或產品進行建模，完成分析數據的輸入，建立合理的有限元模型。具體來說，前處理模塊主要功能包括給實體建模與參數化建模、構件的布爾運算、單元自動剖分、節點自動編號與節點參數自動生成、載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入、節點載荷自動生成、有限元模型信息自動生成等。

(2)求解過程主要包括模態、剛度、強度等分析方式；如有限元分析模塊的主要流程有對有限元模型進行單元特性分析、有限元單元組裝、有限元系統求解和有限元結果生成。一般而言有限元分析模塊有如下子系統:線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等。

(3)(后處理過程包括展示位移、應力等動圖，優化過程主要針對仿真結果設計進行修改，并再次回到前處理流程，最終獲得合意結果后，通過圖形化方式向用戶進行報告。后處理模塊主要功能包括對求解分析結果進行數據平滑、對各種物理量進行加工和顯示、對工程或產品設計要求的數據檢驗和工程規范進行校核、設計優化與模型修改等。

CAE發展歷程

1970-1989起步階段

中國本土涌現了一批具有自主知識產權的有限元分析軟件，為國家CAE行業的起步奠定了重要基礎，這些國產CAE軟件具有較強的理論水平和技術能力，但是軟件的通用性和適用范圍相對局限，缺乏整體競爭力

1990- 2005緩慢發展階段-

國外CAE軟件廠商相繼進入中國市場、迅速提升市場份額，中國本土CAE軟件廠商產生了較大沖擊。受限于資金投入不足等因素，本土CAE軟件從基礎研究到工程應用、再到軟件商業化的進程受阻，本土CAE軟件廠商的發展緩慢

2006- 至今快速發展階段

中國本土CAE軟件開發商行業競爭力逐漸加強，而應對于中、小、微型企業產品研發設計的市場需求的增長，CAE咨詢細分領域也呈現出快速發展的態勢。行業下游汽車、工程機械、航空航天等應用領域的市場需求持續增大，刺激了CAE市場容量的釋放。

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CAE價值

對一個完整的產品設計而言，CAE貫穿構思、設計和分析、制造、以及運用多個方面

(1) CAE軟件能夠幫助企業尋求理想的產品設計方案，給設計決策提供支持；

(2) CAE軟件能夠協助設計人員預先發現潛在問題，轉換故障糾正為故障預防，降低設計變更風險、減少處理產品故障的成本；

(3) CAE軟件能夠模擬多種實際情景，減少物理實驗所引發的時間和資金成本；

(4) CAE軟件可以有效提高生產效率，推動產品流通，促進下游企業與行業的發展。根據Aberdeen調查報告表示，集成的CAE平臺能夠節約22%的時間，非集成的平臺也能夠節約13%。CAE對于增收降本方面更是作用日益凸顯，CAE能夠加速產品推向市場，提升研發效率，減少物理原型機的成本等^[2]。

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通用CAE軟件

通用性較強、適用范圍廣，可針對多種類型產品的物理力學性能進行模擬仿真、評價和優化，代表軟件企業主要是ANSYS公司Ansys、MSC Nastran、達索的ABAQUS、安世亞太PERASIM、英特仿真INTESIM、前沿動力ADI.SimWork、中船重工奧藍托simWorks、蘇州同元MWorks是主流通用CAE軟件

(1)Ansys：全球CAE龍頭，研發的產品在航空航天、國防、汽車、衛生保健、高科技、工業設備等領域廣泛應用。

(2)達索的ABAQUS：應用于解決從簡單(線性)到高度復雜的工程問題(多物理場非線性)的一套全方位仿真計算能力的有限元軟件。在航空航天與國防、交通運輸、工業設備、高科技、生命科學與醫療保健、能源與材料、零售消費品包裝、建筑、城市和領土、海洋和近海、家居等領域廣泛應用。

(3)安世亞太PERASIM：包括PERA SIMMedh是通用結構力學仿真系統、PERA SIM.Fluid通用流體仿真系統、PERA SIM.Emag通用低頻電磁仿真系統。

(4)MSC Nastran：擁有50多年實踐經驗在結構FEA上，是世界上目前結構分析模擬的行業標準，全球1000家制造商中的900家使用其產品和服務，產品涉及結構、流體、多體動力學、機電、聲學、材料、系統、數據管理，應用行業包括航空航天和國防、農業、汽車和地面運輸、消費產品、電子產品、重型機械、材料、醫療設備、油和氣、發電、再生能源。

(5)英特仿真INTESIM：包括INTESIM-Structure結構分析模塊、INTESIM-Incompressible Fluid低速不可壓縮流體分析模塊、INTESIM-Compressible Fluid高速可壓縮流體分析模塊、INTESIM-Thermal熱分析模塊、INTESIM-Emag 三維低頻電磁分析軟件、INTESIM-Acoustic聲場仿真分析模塊、INTESIM-Penetration穿甲爆炸分析模塊INTESIM-MultiSim多場耦合技術，可應用于航空、航天、汽車、國防等領域。

(6)前沿動力ADI.SimWork：主要有流體力學(CFD)、計算結構力學(CSD)、流固耦合 (FSI/AE/ASE)，其中CFD包括粒子方法，穩態、非穩態仿真分析。CSD包含粒子方法、有限元方法。流固耦合 (FSI/AE/ASE)包括氣彈，氣動伺服彈性(ASE)、粒子方法(固體/流體)等。

(7)蘇州同元MWorks：亞洲唯一完全自主的系統仿真軟件，完全自主研發的內核是國際上六個商品化 Modelica編譯求解引擎之一，在航天、航空、能源、車輛、船舶、教育等領域應用廣泛，為國家系列重大工程提供了數字化設計支撐。

(8)中船重工奧藍托simWorks：自主研發的CAE核心求解器(iSolver)、CAE前后處理器(simWorks)、工業APP集成平臺(iDesginer)三大基礎產品，提供從底層算法到集成應用的全套解決方案，為客戶提供支撐產品創新研發的工具體系。

專用CAE軟件

專用CAE軟件專業性較強，能夠針對特定類型的產品提供較好的性能分析、預測以及設計優化等功能，有流體力學領域的Fluent、多體動力學領域的Adams、模流分析領域的中國臺灣Moldex 3D、鑄造MAGMA、大連理工大學計算力學軟件平臺SiPESC、中國飛機強度研究所航空結構強度分析與優化系統HAJIF。

(1)多體動力學領域的Adams：世界上使用最廣泛的多體動力學(MBD)軟件，擁有CAE53%的市場份額，被廣泛應用于航天、航空、汽車、鐵道、兵器、船舶、電子、工程設備及重型機械等行業。

(2)模流分析領域的中國臺灣Moldex 3D：Moldflow是應用最廣泛的模流分析軟件，2008年被Autodesk收購。

(3)中國臺灣Moldex 3D：moldex 3D主推3D網格技術，其六面體網格所具有的天生優勢是moldflow的四面體網格不能比擬的，在亞洲市場有相當份額。

(4)鑄造MAGMA：德國著名的鑄造虛擬仿真軟件，可用于鑄鐵、鑄鋼、壓鑄、有色金屬、砂芯和模具、鑄件設計、連續鑄造熱處理。

(5)大連理工大學計算力學軟件平臺SiPESC：SiPESC計劃為機械/海洋/能源等裝備結構，以及汽車/航天/航空/列車/土木等工程結構提供建模、分析、優化的集成軟件環境。