ＣＡＥ：虛擬試驗室

王　嵩

2006年2月，世界上最大的客機，空中客車的巨無霸A380爆出了未能通過靜力試驗的消息，A380的機翼在達到145％限制載荷時發生斷裂，而按照要求，機翼必須要能夠承受150％的限制載荷。雖然空客宣稱問題并不是致命的，但一次試驗卻讓麻煩不斷的A380雪上加霜。

在產品研發過程中，試驗總是不可缺少的環節，工程師的構想和創意最終都要通過試驗來檢驗。然而試驗卻是成本最高昂的環節之一，以A380為例，一次靜力試驗就要把一架完好的飛機加載到破壞。更嚴重的是，設計階段的問題如果在試驗中才暴露出來，改進就太遲了，在市場高度競爭的今天，延長產品研發周期無異于自殺。

那么，有什么辦法減少試驗呢?那就是虛擬試驗。

萌芽

科學和技術的概念出現時間并不長，虛擬試驗更是只有幾十年的事情。在最早的歷史上，幾乎一切創造都依賴于匠人的手藝，這是一種純經驗的積累，知識體系是散亂的，沒有系統的總結。直到三百多年前，牛頓發現三大運動定律，第一次系統地定量描述了宇宙萬物的運動規律。這次發現還有一個具有劃時代意義的副產品，那就是微積分的發明。微積分為描述客觀世界提供了強有力的武器，直到今天，大學教材上基本的物理定律還是用微積分方程書寫的。近代科學就這樣誕生了。

科學被用于工程實踐就是技術，這時候工程師對設計的東西可以進行定量分析了。當然，這并不是一件容易的事情。雖然在科學家的眼里，已知的世界就是一些微分方程的組合，但在工程師看來，解這些方程卻無比困難，甚至是不可能的，因為真實的產品復雜多變，根本沒有一個數學家能夠根據幾個微分方程就把產品的使用情況解算出來。

這樣，在設計分析的時候，工程師就不得不對實際情況做出很多假定，把產品簡化到不能再簡化的地步。當然，這樣得到的分析結果是相當粗糙的，虛擬試驗也就無從談起。

提高精度的辦法是有的，那就是盡量減少假定。實際上，在物理規律已知的情況下，科學家和工程師確實發明了很多方法來分析實際的工程問題，例如有限元法，有限體積法等，這些方法最后都歸結為解一大堆多元一次方程。

然而，解方程并不是一個容易的事情，實際工程問題的未知數動輒成千上萬，靠人力基本上無力完成。如果有些問題非要解決不可，那就只有不惜代價，就像我國設計原子彈時用很多人敲算盤一樣。

還好，計算機時代到來了。計算機最擅長處理大量枯燥的數據運算，美國開發第一臺電子計算機的目的就是為其“曼哈頓計劃”服務。計算機出現后，首先被用于科學計算。上個世紀五六十年代，由于航空工業的推動，出現了早期的結構分析程序。此后，各國看中了計算機的潛力，紛紛加大投入研究，計算固體力學和計算流體力學的理論開始成熟，出現了一大批通用的分析程序。上世紀七八十年代，這些分析程序不斷完善發展，出現了商業化的分析軟件，也就是這個時候，計算機輔助工程(CAE，Coml)uter AidedEngmeermg)的概念出現了。

制造業的變革

CAE技術的出現引起了制造業的一場革命。通過CAE技術，對復雜的工程問題進行計算機仿真，可以不通過試驗就觀察到產品的工作情況和性能，不僅節約成本，而且縮短開發周期。今天，CAE技術已經完全實用化，成為產品開發過程中必不可少的一道環節，應用范圍從航空航天、汽車等傳統領域擴展到幾乎一切領域。CAE技術可以模擬的物理現象也越來越豐富，從最初的結構變形到流體的運動、電磁場，溫度和熱，甚至是飛機的墜毀，都可以進行模擬。例如對飛鳥撞擊灣流公務機機翼進行計算機模擬，模擬的結果用于結構改進設計，很快解決了結構災難性破壞的問題。

CAE技術發展到今天，主要是作為虛擬試驗手段對產品的性能進行分析，判斷是否符合設計意圖。但是，CAE技術不滿足于此，它已經超越了單純的虛擬試驗功能，進而為人們提供更為合理的設計方案——這就是在CAE基礎上發展起來的優化技術。傳統的設計方法通常是基于經驗的，參照已有的類似結構進行設計。由于認識的局限性，選擇的方案通常都不是最優的方案，不管設計水平多高，最后的結果要么是不滿足要求，要么是付出代價太大，而優化技術恰恰幫人們解決這一矛盾。優化技術正在掀起制造業的又一場革命。A380的機翼前緣肋經過優化之后，強度沒有降低，重量卻減少了43％，這已經成為航空工業的里程碑。

試驗的終結?

CAE技術發展到現在，似乎已經盡善盡美了。那么，它會不會完全取代試驗呢?

答案當然是否定的，這有幾方面的原因。首先，人類對客觀世界的認識遠沒有到無所不知的地步，相反，人類還很無知。而任何的計算機模擬方法都需要人類對客觀規律的充分認知，實踐才是檢驗真理的唯一標準，其次，工程中有許多因素是無法預料的，也是無法通過計算機來模擬的，這些都要通過試驗來確定。

然而，CAE技術卻可以最大限度地減少重復性的試驗，最大限度地降低成本和提高效率。它和計算機輔助設計(CAD)技術一道，構成了制造業信息化的核心。制造業的信息化，是深深影響我們每一個人的變革。

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常見CAD／CAE軟件簡介

●AutoCAD

AuloCAD是眾所周知的CAD軟件，它提供很強的功能，如多視圖、網絡支持、文件保存、二次開發、線型幫助、尺寸特征和繪圖優化等，其版本也不斷升級更新。它是PC機CAD市場的領先者。

●CATIA

CATIA軟件是美國IBM公司和法國著名飛機制造公司達索公司共同推出的新一代工業先進水平的CAD／CAE／CAM軟件。該軟件在各領域得到廣泛應用，尤其是在航空和汽車工業中。最典型的用戶當屬波音飛機公司和美國克萊斯勒汽車公司。波音777飛機就是依賴于CATIA軟件而成為第一架100％的數字化設計的飛機。

●Pro／ENGINEER

美國參數科技公司的Pro／Engineer是一套機械設計自動化軟件。它能將整個設計至生產制造過程集成在一起。Pro／E軟件的長處及獨特的地方表現在兩個方面：一是它的參數化特征化定義實體造型的功能，從而給工程師們提供設計上的簡易和靈活性；另一方面是其獨特的數據結構提供在工程上的完全相關性，即在產品開發過程中任何一個地方的更改都會得到其他相關地方的相應自動修改。

●UG

UG軟件起源于美國麥道飛機公司，以CAD／CAE／CAM一體化而著稱，可以支持目前市場上銷售的不同廠家的所有工作站平臺。UG軟件使用戶可以享受到美國工業的心臟和靈魂——航空航天及汽車工業的專門經驗，它有較強的模具設計和制造功能。集設計、工程及制造系統于一體的uG軟件，現已廣泛應用于航空航天、汽車、通用機械及模具等領域。在1995年世界一級方程式賽車大獎賽中，舒馬赫駕駛用UG軟件設計的賽車，為貝納通車隊一舉奪得了總冠軍。