關於CAE的那點兒破事兒

CAE是計算機輔助工程的英文簡寫，所涵蓋的範圍甚是普遍。如今不少人提到CAE，老是聯想到結構有限元計算，更有甚者認爲有限元就是CAE。還有人把全部的工程數值計算都稱做有限元。本文就這一話題，來談談關於CAE的那點兒破事兒，以最粗淺的文字來說述CAE所涉及的那點兒東西。

1 究竟是什麼

CAE（Computer Aid Engineer，計算機輔助工程）。按中國話的語法習慣，「計算機輔助工程」是不太容易理解的，工程有什麼好輔助的呢，這裏能夠換一種說法：「計算機輔助工程計算」，是否是以爲好理解了些呢。將CAE理解爲計算機輔助工程計算，以與計算機輔助工程設計（CAD）相區分，以免混淆。

又有人問了：「工程計算指的是什麼？工程上有什麼須要計算的？設計完了不就OK了麼？」
那麼我要問了：「設計的出來的各類數據是憑空想象出來的麼？產品的長寬高、材料的性能要求、加工裝配要求等等各類要求是拍腦殼獲得的麼？難道不須要計算？」。所以在工程上，CAE所作的計算工做是用於產品設計的，是爲產品設計服務的。(在科學研究上，CAE有另外的用途，後面再說。)

在產品設計的前期、中期及後期，都有可能會應用到CAE。在前期，CAE主要用於概念設計；在中期，CAE主要用於優化設計；在後期，CAE主要用於性能校覈。CAE的位置越靠前，對產品設計越有利。很不幸的是，目前咱們國家CAE的應用大部分用於產品設計末期，上述用得好的企業可能用於中期。

總結：CAE是一種利用計算機解決工程設計中的計算問題，並利用計算結果數據指導工程設計的方法及手段。

有限元只是一種數學方法，其全稱是「有限單元法」，是一種求解偏微分方程的數值方法。其實此類的方法不少，除了有限元法外，還有諸若有限體積法、邊界元法、譜方法等等，多達N種，數都數不清。就拿有限元應用最普遍的結構應力計算領域來說，實際上能夠計算結構應力的數學方法不少，有限體積法和邊界元法都能作這事兒，並且最近鬧得比較火的無網格法、格子-波茲曼方法也能夠解決這類問題。實際上結構應力計算就那麼個偏微分方程，無論用什麼方法，目的都是爲了求解那個方程而已。

之因此不少人將CAE誤認爲是有限元，分析緣由可能在於：

(1)目前CAE的一大塊應用領域在於結構應力計算，而目前結構應力計算的主流方法是有限元法。

總結：CAE是一種工程技術手段，而有限元只是CAE所使用的衆多數學方法中的其中一種數學方法。

2 能幹些什麼

CAE能幹不少的事情。粗略來講，CAE可應用於如下一些領域：

• 結構應力計算。這是一個很常見的CAE應用領域，包含的範圍及其普遍。常規計算包括靜力學計算、模態計算、諧響應分析、譜分析、隨機響應分析，更復雜的還包含疲勞計算、裂紋擴展分析等等。
• 流體流場計算。流體計算是CAE另一個重要的應用領域。流體計算一般包括常規的流動計算、傳熱計算、多相流計算、化學反應及燃燒等等。
• 電磁場計算。其中高頻電磁場與低頻電磁場又分別包含有不一樣的計算內容。
• 聲學計算。氣動聲學與振動聲學是兩個主要的聲學計算領域。
• 多體動力學計算。機械領域應用至關多的場合，主要用於分析機構在運動過程當中的速度、加速度等物理量。
• 光學計算。（對此領域不熟悉，不過的確是一個很大的CAE應用領域）
• 多物理場耦合計算。以上各類計算攪和在一塊兒，隨着計算機性能的不斷加強，愈來愈多的工程問題能夠考慮多物理場耦合計算。
• 系統仿真。（此領域不怎麼熟悉，不過也是一個大的CAE應用領域）
• 優化設計。工程優化問題一般涉及到大量的數值計算，同時優化設計還須要配合實驗設計。

固然可能還有不少其餘的領域並未包含進去，不過應該說是包含了大部分的領域。CAE包含的範圍實在是太普遍了，所以單純的去提CAE能幹什麼，並非一件很理智的事情。常常有網友在羣裏問"學CAE要看那些書籍？"，對於此類的問題，真真是沒有答案的。

總結：CAE的應用範圍及其普遍，不講領域而單純的去講CAE的話題是沒辦法繼續下去的。

3 人的做用

之因此會有這麼一說，實際上是源於羣中問得最多的一個問題「搞CAE究竟是否有前途」。要分析搞CAE是否有前途，那麼就必需要弄清楚人在CAE中所起的做用。

隨着計算機性能的不斷提升，以及人工智能技術的不斷髮展， 不少人擔憂本身的飯碗會被計算機搶走，對於只會操做CAE軟件的人尤其如此。你想嘛，點鼠標誰不會呢，計算機彷佛比人類更擅長，不是嗎？

但真實的狀況應該是怎樣的呢？真正的CAE人員會被人工智能取代麼？人腦在CAE中應當處於什麼地位？

在談論這個話題以前，仍是強調一點：CAE計算的目的不是爲了獲得一堆數據或花花綠綠的圖片，而是爲了發現問題和解決問題。

未來不敢說，不過就目前以及近幾年來說，計算機還只是一個死物。人工智能還遠沒有發展到使計算機能從複雜的現實世界中抽象出物理模型，以及將CAE計算結果應用到物理模型改進上。舉個簡單的例子。好比說一個蘋果從樹上掉下來了。當前的人工智能技術足以使計算機識別到這一現象，但也僅此而已，計算機並不會知道是什麼緣由致使蘋果從樹上掉下來。計算機能夠識別到蘋果下落的速度，但計算機不會知道該如何去控制蘋果的下落速度。

工程CAE也是同樣，人在其中所起的主要做用我以爲無外乎這兩個：

• 其一：告訴計算機現象背後所涉及到的物理模型。
• 其二：利用計算機提供的計算結果找尋規律或指導設計。

有一類CAE從業者容易被人工智能取代。一種是純粹的軟件操做工。只會操做軟件，無論物理現象背後的理論背景，不知道如何選擇合適的計算模型，得出了計算結果也不會利用。這類人在當前CAE使用者中佔了多數，他們熟悉各類先後處理軟件以及求解器的操做，可是很遺憾，你點鼠標的速度再快也絕對快不過計算機的。

總結：騷年，CAE軟件操做並不等同於CAE，單純的軟件操做工是混不長久的。

4 具有哪些素質

我一直很反對本科生搞CAE，這毫不是學歷歧視，其實我見過不少本科學歷的人CAE作得很是好。

爲何反對本科生搞CAE呢，這裏把理由擺出來：（注：我以爲這裏反對的聲音確定不少，不過我仍是保留本身的意見）

• 其一：理論準備不夠。固然不少人會說：「不少研究生的基礎也不好啊，搞機械的研究生連屈服強度是什麼都不知道的都大有人在」。我不排除這種極端狀況，可是你以爲機械專業的是本科生不知道屈服強度的人多仍是研究生不知道屈服強度的人多？不爭論這個。以結構應力計算爲例。粗淺的來講，結構計算的核心內容在於材料本構、約束和載荷、強度理論等。很遺憾，咱們國家絕大多數高校機械專業的學生學習的力學主要是理論力學和材料力學，開彈塑性力學的不多。那麼關於材料本構，印象中材料力學只涉及到了線彈性；關於約束和載荷，貌似機械原理中會簡單的講到一點點；關於強度理論，在材料力學中提到了四個準則，更復雜一點兒的就沒有了。對於這點兒基礎，若是去作結構應力計算，顯然只是儲備是不夠的。結構應力計算是相對來說比較簡單的，那更復雜的疲勞、接觸以及裂紋呢？不少碩士研究生都未必有這方面的理論基礎。
• 其二：思惟方式不足。仍是那句話，CAE的目的並不是獲得一堆花花綠綠的圖片，而是要反哺設計。本科生的思惟大部分停留在正向思惟上，習慣於利用設計參數得到設計結果。可是CAE的使用並不是直接利用設計參數獲得設計結果，一般CAE的使用是利用大量的計算數據獲取物理規律，再利用獲得的物理規律指導設計。這裏存在一個反問題的解決上。最直接的例子就是優化設計。固然不少所謂的優化設計其實並不能稱之爲優化，而僅僅只能稱爲優選，由於其沒有一個目標函數。那是怎麼作的呢？好比說一個產品有5個參數能夠控制，那麼設計者憑藉經驗隨機的修改其中的參數，而後對修改後的性能參數進行比較。這實際上碰運氣的成分比較大，傳說中的「試錯法」。有時候運氣好，修改參數後確實能提升性能，但並不能保證是最優的，固然更多的狀況是無用功，尤爲當產品控制參數相互關聯相互影響的狀況下。

固然上面說的本科生只是指廣泛狀況下，並不是指全部的，也不排除特別的優秀的搞CAE特別好的本科生，但相對於研究生隊伍來講，比例絕對不會高。

回到主題，須要具有哪些基本素質呢？如下是我的見解：

• 熟悉本身所從事領域的物理理論背景。搞結構靜力學計算的確定要了解彈塑性力學，搞CFD計算的確定要了解流體力學。這是最基本的素質。不然可能會淪爲軟件操做工，在不久的未來被人工智能搶了飯碗。
• 熟悉本領域CAE處理流程。標準流程很重要，可以保證效率以及結果質量。
• 學習能力。學習能力的重要性，我想不須要多說了。
• 協做能力。CAE涉及領域愈來愈廣，一我的精力有限不可能精通全部的領域，所以與其餘人的協做能力很重要。
• 良好的思惟習慣。
• 其餘…

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