CAE 50 年- Round 1

轉自www.newmaker.com.cn :
電腦輔助工程（CAE)作為一門新興的學科已經逐漸的走下神壇，成為了各大企業中設計新產品過程中不可缺少的一環。傳統的CAE技術是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過程優化設計、強度與壽命評估、運動/動力學仿真，驗證未來工程/產品的可用性與可靠性。

如今，隨著企業信息化技術的不斷發展，CAE軟體與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已經成為支援工程行業和製造企業資訊化的主導技術，在提高工程/產品的設計品質，降低研究開發成本，縮短開發週期方面都發揮了重要作用。

而CAE技術出現則是要歸功於有限元分析的誕生，在有限元法誕生的早期，幾乎所有的CAE軟體都是使用有限元法來進行計算求解。因此，可以說有限元法的發展也間接反映了CAE軟體在這半個世紀的發展歷史。


1 有限元法的誕生

每一項新技術的推出都是由於時代的迫切需要，而新技術的出現後也需要經歷歷史的重重考驗。在上個世紀40年代，由於航空事業的快速發展，對飛機內部結構設計提出了越來越高的要求，即重量輕、強度高、剛度好，人們不得不進行精確的設計和計算。正是在這一背景下，有限元分析的方法逐漸的發展起來。

早期的一些成功的實驗求解方法與專題論文，完全或部分的內容對有限元技術的產生做出的貢獻，首先在應用數學界第一篇有限元論文是1943年Courant R發表的《Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibration》一文，文中描述了他使用三角形區域的多項式函數來求解扭轉問題的近似解，由於當時電腦尚未出現，這篇論文並沒有引起應有的注意。

1956年，M.J.Turner (波音公司工程師)，R.W.Clough (土木工程教授)，H.C.Martin (航空工程教授)及L.J.Topp (波音公司工程師) 等四位共同在航空科技期刊上發表一篇採用有限元技術計算飛機機翼的強?的論文，名為《Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures》，文中把這種解法稱為剛性法(Stiffness)，一般認為這是工程學界上有限元法的開端。

1960年，Ray W. Clough教授在美國土木工程學會(ASCE)之電腦會議上，發表另一篇名為《The Finite Element in Plane Stress Analysis》的論文，將應用範圍擴展到飛機以外之土木工程上，同時有限元法(Finite Element Method)的名稱也第一次被正式提出。

由此之後，有限元法的理論迅速地發展起來，並廣泛地應用于各種力學問題和非線性問題，成為分析大型、複雜工程結構的強有力手段。並且隨著電腦的迅速發展，有限元法中人工是難以完成的大量計算工作能夠由電腦來實現並快速地完成。因此，可以說電腦的發展很大程度上促進了有限元法的建立和發展。

2 由理論到程式的轉變

2.1 FEA技術的探索起源期

“有限元法”概念的提出，引出了美國加州大學伯克利分校有限元技術研究小組的最為輝煌的十年歷程。

1963年在加州大學Berkeley分校，Edward L.Wilson教授和Ray W. Clough教授為了教授結構靜力與動力分析而開發了SMIS（Symbolic Matrix Interpretive System），其目的是為了彌補在傳統手工計算方法和結構分析矩陣法之間的隔閡。1969年，Wilson教授在第一代程式的基礎上開發的第二代線性有限元分析程式就是著名的SAP（Structural analysis program），而非線性程式則為NONSAP。

Wilson教授的學生Ashraf Habibullah于1978年創建了Computer and Structures Inc.（CSI），CSI的大部分技術開發人員都是Wilson教授的學生，並且Wilson教授也是CSI的高級技術發展顧問。而SAP2000則是由CSI在SAP5、SAP80、SAP90的基礎上開發研製的通用結構分析與設計軟體。

同樣是1963年，Richard MacNeal博士和Robert Schwendler先生聯手創辦了MSC公司，並開發第一個軟體程式，名為SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）即數字仿真類比法結構分析。

提到MSC公司，就想到與其有著不解淵源的美國國家太空總署(NASA)，當年美國為了能夠在與前蘇聯之間的太空競賽中取得優勝而成立了NASA。而為了滿足宇航工業對結構分析的迫切需求，NASA於1966年提出了發展世界上第一套泛用型的有限元分析軟體Nastran(NASA STRuctural ANalysis Program)的計畫，MSC.Software則參與了整個Nastran程式的開發過程。1969年NASA推出了其第一個NASTRAN版本，稱為COSMIC Nastran。之後MSC繼續的改良Nastran程式並在1971年推出MSC.Nastran。

另一個與NASA結緣的是SDRC公司，1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，並於1968年發佈了世界上第一個動力學測試及模態分析套裝軟體，1971年推出商業用有限元分析軟體Supertab(後併入I-DEAS軟體中，這也就是為什麼I-DEAS作為一款設計軟體其有限元分析還如此強大的原因)。
1969年，John Swanson博士建立了自己的公司Swanson Analysis Systems Inc(SASI)。其實早在1963年John Swanson博士任職于美國賓州匹茲堡西屋公司的太空核子實驗室時，就已經為核子反應火箭作應力分析編寫了一些計算載入溫度和壓力的結構應力和變位元的程式，此程式當時命名為STASYS (Structural Analysis SYStem)。在Swanson博士公司成立的次年，結合者早期的STASYS程式發佈了商用軟體ANSYS。1994年Swanson Analysis Systems, Inc.被TA Associates並購，並宣佈了新的公司名稱改為ANSYS。

2.2 FEA技術的蓬勃發展期

進入70年代後，隨著有限元理論的趨於成熟，CAE技術也逐漸進入了蓬勃發展的時期，一方面MSC，ANSYS，SDRC三大CAE公司先後組建，並且致力於大型商用CAE軟體的研究與開發，另一方面，更多的新的CAE軟體迅速出現，為CAE市場的繁榮注入了新鮮血液。

70年代初當時任教于Brown大學的Pedro Marcal創建了MARC公司，並推出了第一個商業非線性有限元程式MARC。雖然在MARC在1999年被MSC公司收購，但其對有限元軟體的發展起到了決定性的推動作用，至今在MSC的分析體系中依然有著MARC程式的身影，更值得一提的是Pedro Marcal早年也是畢業于Berkeley大學。

在早期的商用軟體舞臺上，還有兩位主要人物，他們是David Hibbitt和Klaus J Bathe。

David Hibbitt是Pedro Marcal在Brown的博士生，David Hibbitt與Pedro Marcal合作到1972年，隨後Hibbitt與Bengt Karlsson和Paul Sorenson於1978年共同建立HKS公司，推出了Abaqus軟體，使ABAQUS商業軟體進入市場。因為該程式是能夠引導研究人員增加用戶單元和材料模型的早期有限元程式之一，所以它對軟體行業帶來了實質性的衝擊。2002年HKS公司改名為ABAQUS，並於2005年被達索公司收購。

另外一位對有限元方法做出重大貢獻的是Klaus J. Bathe博士。Klaus J. Bathe六十年代末在Berkeley大學Clough和Ed Wilson博士的指導下攻讀博士學位，從事結構動力學求解演算法和計算系統的研究。由於Bathe博士在對結構計算以及SAP軟體所做的貢獻，Bathe博士畢業後被MIT聘請到機械與力學學院任教至今。

1975年在MIT任教的Bathe博士在NONSAP的基礎上發表了著名的非線性求解器ADINA (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)，而在1986年ADINA R&D Inc.成立以前，ADINA軟體的源代碼是公開的，即著名的ADINA81版和ADINA84版本的fortran根源程式，後期很多有限元軟體都是根據這個根源程式所編寫的。

1977年Mechanical Dynamics Inc.(MDI)公司成立，致力於發展機械系統仿真軟體，其軟體ADAMS應用於機械系統運動學、動力學仿真分析。後被MSC公司收購，成為MSC分析體系中一個重要的組成部分。

在CAE的歷史中另一個神奇的程式是顯式有限元程式DYNA，DYNA程式由當時在美國Lawrence Livermore國家實驗室的John Hallquist編寫。之所以說DYNA神奇，是因為在現在我們熟知的眾多軟體中，都可以發現DYNA的蹤跡，因此LS-DYNA系列也被公認為顯式有限元程式的鼻祖。下面我們來細數一下由DYNA所演變出來的有限元程式：

在20世紀80年代，DYNA程式首先被法國ESI公司商業化，命名為PAM-CRASH，現已成為了ESI的明星產品。除此之外，ESI公司還有多個被人熟知的軟體，如鑄造軟體ProCAST，鈑金軟體PAM-STAMP，焊接軟體SYSWELD，振動雜訊軟體VA One，空氣動力學軟體CFD-FASTRAN，多物理場軟體CFD-ACE+等等。

1988年，John Hallquist自己創建LSTC(Livermore Software Technology Corporation)公司，發行和擴展DYNA程式商業化版本LS-DYNA。

同樣是1988年，MSC在DYNA3D的框架下開發了MSC.Dyna並於1990年發佈第一個版本，隨後於1993年發佈了著名的MSC.Dytran。

另外，ANSYS收購了Century Dynamics公司，把該公司以DYNA程式開發的高速瞬態動力分析軟體AUTODYN納入到ANSYS的分析體系中。並且在1996年，ANSYS與LSCT公司合作推出了ANSYS/LS-DYNA。

1984 年，ALGOR公司成立於，總部位於賓州的匹茲堡，ALGOR公司在購買SAP5 根源程式和 vizicad 圖像處理軟體後，同年推出 ALGOR FEAS（Finite Element Analysis System）。

隨著有限元技術的日趨成熟，市場上不斷有新的公司成立並推出CAE軟體，1983年AAC公司成立，推出COMET程式，主要用於雜訊及結構雜訊優化分析等領域。 隨後Computer Aided Design Software Inc推出提供線性靜態、動態及熱分析的PolyFEM套裝軟體。1988年Flomerics公司成立，提供用於空氣流及熱傳遞的分析程式。同時期還有多家專業性軟體公司投入專業CAE程式的開發。由此，CAE的分析已經逐漸的擴展到了聲學、熱傳導以及流體等更多的領域。