CAE 50年-Round 2

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在早期有限元技術剛剛提出時，其應用範圍僅在航空航太領域，且研究的物件也只局限在線性問題與靜力分析。而經過近十年的發展研究，有限元技術的應用範圍已經囊括了力學、熱、流體、電磁的自然界四大基本物理場，並且已經發展到多場耦合技術（如表1所示）。可以說有限元技術經過十年的研究發展，其應用範圍與研究物件發生了翻天覆地的變化。
表1 有限元法的發展

2.3 FEA技術的成熟壯大期

上世紀90年代至今是CAE技術的成熟壯大時期，這一時期的CAE領域呈現出了大魚吃小魚的市場局面，大的軟體公司為了提升自己的分析技術、拓寬自己的應用範圍尋找機會收購、並購小的、專業的軟體商，因此CAE軟體本身的功能得到了極大的提升。

MSC公司作為最早成立的CAE公司，先後通過開發、並購，已經把數個CAE程式集成到其分析體系中。目前MSC公司旗下擁有10幾個產品，如Nastran、patran、Marc、Adams、Dytran和Easy 5等，覆蓋了線性分析、非線性分析、顯式非線性分析以及流體動力學問題和流場耦合問題。另外，MSC公司還推出了多學科方案（MD）來把以上的諸多產品集成為了一個單一的框架解決多學科仿真問題。

MSC體系中的各分析軟體
ANSYS公司通過一連串的並購與自身壯大後，把其產品擴展為ANSYS Mechanical系列， ANSYS CFD（FLUENT/CFX）系列，ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS Workbench和EKM等。由此ANSYS塑造了一個體系規模龐大、產品線極為豐富的仿真平臺，在結構分析、電磁場分析、流體動力學分析、多物理場、協同技術等方面都提供完善的解決方案。

SDRC把其有限元程式Supertab併入到I-DEAS中，並加入耐用性、NVH、優化與靈敏度、電子系統冷卻、熱分析等技術，且將有限元技術與實驗技術有機地結合起來，開發了實驗信號處理、實驗與分析相關等分析能力。而在2001年SDRC公司被EDS所收購，並將其與UGS合併重組，SDRC的有限元分析程式也演變成了NX中的I-deas NX Simulation，與NX Nastran一起成為了NX產品生命週期中的仿真分析中的重要組成部分。

說到NX Nastran，大家都會想到另一個以Nastran為名的有限元軟體MSC.Nastran。MSC.Nastran與NX Nastran可謂是同根同源，皆是由NASA推出的Nastran程式的源代碼發展出來的。下面我們可以簡單的介紹下MSC.Nastran與NX Nastran的由來。

由Nastran發展出來的MSC.Nastran與NX Nastran程式
在當時開發Nastran程式的不止MSC一家公司，還有另外兩家公司也推出了Nastran程式的商業版，1972年 UAI公司發佈基於COSMIC NASTRAN的UAI Nastran軟體，1985年CSAR公司發佈了基於COSMIC NASTRAN的CSAR Nastran軟體。當時是市場上有這3家公司共同經營Nastran軟體。

而在1999年，MSC收購了UAI和CSAR，成為市場上惟一一家提供Nastran商業代碼的供應商。而在此後的幾年，獨自享有源代碼的MSC Nastran軟體價格不斷上漲，但是其功能和服務卻沒有得到相應的提升，從而引發大量客戶的抱怨，為此NASA則向美國聯邦貿易委員會(FTC)提出了申訴。

美國FTC判“MSC Nastran壟斷”，MSC Nastran源代碼須公開，而這一決定也引來了UGS公司加入到Nastran的市場中來。而後，UGS根據MSC所提供的源代碼、測試案例、開發工具和其他技術資源開發出了NX Nastran。至此，源於NASA的Nastran一分為二，齊頭並進，為用戶帶來了更多的新技術與服務。

進入21世紀後，早期的三大軟體商MSC、ANSYS、SDRC的命運各不相同，SDRC被EDS收購後與UGS進行了重組，其產品I-DEAS已經逐漸的淡出了人們的視線；MSC自從Nastran被反壟斷拆分後一蹶不振，2009年7月被風投公司STG收購，前途至今還不明朗；而ANSYS則是最早出現的三大巨頭中最為強勁的一支，收購了Fluent、CFX、Ansoft等眾多知名廠商後，逐漸的塑造了一個體系規模龐大、產品線極為豐富的仿真平臺。

而在CAE市場的其他廠商也發生了不少的並購和重組，一些新近的廠商也逐漸在嶄露頭角。如併入達索SIMULIA的ABAQUS，能否如SolidWorks一樣借助達索的強勁在CAE市場中打出一片天地；以前後處理而進入CAE領域的Altair公司，其Hypermesh軟體自誕生之日起就備受業界的關注，而圍繞前後處理建立起來的HyperWorks軟體，也已經成為了現在市場上很有競爭力的軟體，近幾年來收入也持續上漲；LMS也是一個比較有特點的CAE軟體公司，其軟體的分析集1D、3D、“試驗”於一身，不僅可以加速虛擬仿真，還能使仿真結果更準確可靠；COMSOL則是以多物理場耦合仿真開闢出了一片新天地，為其發展、更為CAE技術的發展撥開迷霧。

另外，在市場中佔有一定份額的還有如前後處理軟體ANSA、Truegrid，流體仿真軟體Fluent（被ANSYS收購）、CFX（被ANSYS收購）、Phoenics、NUMECA、Star-CD，鑄造仿真軟體ProCAST、FLOW-3D、MAGMA SOFT等一批專業CAE分析軟體。

3 國內有限元法的發展之路

我國的力學工作者為有限元方法的初期發展做出了許多貢獻，其中比較著名的有：陳伯屏（結構矩陣方法），錢令希（余能原理），錢偉長（廣義變分原理），胡海昌（廣義變分原理），馮康（有限單元法理論）。遺憾的是由於當時環境所致，我國有限元方法的研究工作受到阻礙，有限元理論的發展也逐漸與國外拉開了距離。

20世紀60年代初期，我國的老一輩計算科學家較早地將電腦應用於土木、建築和機械工程領域。當時黃玉珊教授就提出了“小展弦比機翼薄壁結構的直接設計法”和“力法－應力設計法”；而在70年代初期，錢令希教授提出了“結構力學中的最優化設計理論與方法的近代發展”。這些理論和方法都為國內的有限元技術指明了方向。

1964年初崔俊芝院士研製出國內第一個平面問題通用有限元程式，解決了劉家峽大壩的複雜應力分析問題。20世紀60年代到70年代，國內的有限元方法及有限元軟體誕生之後，曾計算過數十個大型工程，應用於水利、電力、機械、航空、建築等多個領域。

20世紀70年代中期，大連理工大學研製出了JEFIX有限元軟體，航空工業部研製了HAJIF系列程式。80年代中期，北京大學的袁明武教授通過對國外SAP軟體的移植和重大改造，研製出了SAP-84；北京農業大學的李明瑞教授研發了FEM軟體；建築科學研究院在國家“六五”攻關項目支持下，研製完成了“BDP-建築工程設計套裝軟體”；中國科學院開發了FEPS、SEFEM；航空工業總公司飛機結構多約束優化設計系統YIDOYU等一批自主程序。

上世紀90年代以來，大批國外CAE軟體湧入國內市場，遍及國內的各個領域，國外的專家則深入到大學、院所、企業與工廠，展示他們的CAE技術、系統功能及使用技巧，因此使得國內自主研發CAE軟體受到強烈打壓。同時，有關管理部門在對直接為先進裝備製造業服務的CAE軟體核心技術的認識上產生了偏差：CAE既不屬於基礎科學，又不屬於科技攻關，故而失去了必要的支持，使其發展舉步維艱，以至於在上世紀的最後十幾年國內CAE自主創新的步伐已經非常緩慢，也逐漸的拉開了與國外CAE軟體的距離。

進入21世紀後，雖然國外CAE軟體佔據市場主流的現狀短時間內已經無法撼動，但國內自主知識產權CAE軟體逐漸市場化，獲得了一定的發展：北京飛箭軟體有限公司推出的FEPG、鄭州機械研究所推出的紫瑞CAE、大連的大工安道公司的CAE軟體Adopt.Smart；湖南大學與吉林大學開發了針對汽車結構的KMAS分析系統；華中科技大學針對鑄造成型開發的華鑄CAE軟體；清華大學、上海交大在注塑成型CAE領域也推出了相應的分析軟體。

雖然國內CAE自主研發之路歷經艱辛，但是廣大專家學者用鍥而不捨的戰鬥精神頑強地生存下來。尤其是在近幾年，數位化產品設計的概念逐漸深入人心，國內高校技術研究和應用水準不斷提高，有限元技術已經為廣大企業所認可。隨著國家對發展自主CAE平臺已經愈發重視，國內CAE的研究已經逐漸走出低迷狀態，獲得了一定的發展，而且值得注意的是，有限元技術不再僅僅停留在高校中，而是更多的走向了企業。同時，更多使用方便、操作簡單的專用分析軟體也得到了廣泛應用。


4 多種技術、同一目的

發展到今天，CAE軟體不僅僅只有有限元法一種基本演算法，目前已經發展出了包括有限差分法、有限元法、有限體積法等多種數學演算法。而究其本質都是採用微積分的方法對離散方程進行求解，從而得出所求的結果。三種方法的比較如表2所示。
表2 有限差分法、有限元法、有限體積法比較

多種求解方法使CAE技術得到的長足的發展，而目前有限元法覆蓋的領域已經非常廣泛，並已大量的應用于結構力學，結構動力學，熱力學，流體力學等仿真分析，並且向著多物理場耦合分析的方向發展著，進而逐步的推動著CAE技術的發展。

5 結語

CAE技術誕生至今已半個多世紀，隨著電腦技術與軟體技術的不斷發展壯大，CAE的技術手段與應用範圍已經不可同日而語，隨之而來也誕生了數以百計的CAE軟體商。如今的CAE市場是一個群雄割據的年代，據不完全統計全球有超過200種仿真分析的軟體在被企業所使用著，昔日的巨頭命運也各不相同，更有著無數的新貴崛起進入人們的視野。

種類繁多的CAE軟體為人類探索未知提供了工具，而CAE軟體已經逐漸的被更多的工程人員所接受，在CAE軟體中進行著產品的仿真、分析與優化，同時工程和產品的自主創新也為CAE發展提供了強大的動力，相信CAE技術將會隨著工程科學技術的飛速發展而迎來一個更為輝煌燦爛的明