CAD/CAE的区别与系统发展

1.前言

　　设计分析一体化是目前所有CAD公司追求的一个主要目标，其核心意图就是为了实现在设计过程中，充分考虑产品的性能和优化，提升产品质量和改善产品性能。
 

　　2.几个重要概念及其误区

　　a)什么是CAD?

　　CAD，即计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)，其概念和内涵正在不断地发展中。1972年10月，国际信息处理联合会(IFIP)在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

　　b)什么是CAE?

　　CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答;另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。

　　c)什么是设计(Design)

　　最简单的关于设计的定义、就是一种“有目地的创作行为”。

　　根据工业设计师 Victor Papanek 的定义，设计(design)是为构建有意义的秩序而付出的有意识的直觉上的努力。更详细的定义如下：

　　第一步：理解用户的期望、需要、动机，并理解业务、技术和行业上的需求和限制;

　　第二步：将这些所知道的东西转化为对产品的规划(或者产品本身)，使得产品的形式、内容和行为变得有用、能用，令人向往，并且在经济和技术上可行。(这是设计的意义和基本要求所在)

　　这个定义可以适用于设计的所有领域，尽管不同领域的关注点从形式、内容到行为上均有所不同。

　　1978年诺贝尔经济学奖 Herbert Simon 发表著名文章对设计给出著名定义“设计就是找到一种行动方式 ，目的是把现状变成自己更喜欢的样子 ”

　　d)几个误区：

　　i.误区1 计算机辅助制图是CAD

　　计算机辅助制图(Computer Aided Drafting)，简写为CAD，譬如我们熟知的AutoCAD辅助制图软件，几乎成了CAD的代名词。目前我国绝大数机械工程师都是二维或三维软件的使用者，他们最终都需要生成二维工程图纸。三维制图和二维制图最大的区别是直观性大为增强，但是本质上没有改变制图的地位。因此计算机辅助制图不是计算机辅助设计。

　　ii.误区2 现代设计就是CAD

　　从前面关于设计的定义，设计包含了人、知识、工具、环境等多方面的结合，因此CAD仅仅只是工具，利用适合设计者的工具可以帮助设计者更快、更好的进行设计。

　　iii.CAE是有限元分析(FEA)

　　CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助工程，涉及到多学科的问题，针对不同的学科，产生了各种仿真分析的数学工具。如FEA(有限元分析)，多体动力学，CFD(计算流体力学)，有限差分法，边界元法，无网格法，加权余量法等等。他们针对不同的领域，各具优势。如FEA适合解决结构的强度、刚度、疲劳等问题;多体动力学适合解决多刚体系统的运动学和动力学特性;CFD适合解决流体的流动和热问题;因此FEA仅仅是CAE的一个领域。

　　iv.误区3 CAE独立于CAD

　　从前面关于CAD的定义“ CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。”CAD中必须含有分析(CAE)，也就是说面对设计，CAE是CAD的子集，缺少了CAE的CAD系统是不完整的计算机辅助设计系统。下图彻底揭示了计算机辅助制图、CAE和计算机辅助设计的真正内涵。

　　现在几乎所有的CAD厂家都认识到CAE的重要性，都先后在CAD环境中加入了CAE，虽然功能有弱有强，但是都充分体现了设计分析一体化是CAD/CAE系统的发展方向。下面将具体论述设计分析一体化的CAD/CAE系统的将成为发展的必然。

　　3.以设计为导向

　　在制造型企业中CAE的目的优化和改进产品设计，因此分析应该无缝融入到设计过程中。因此，单一无缝的CAD/CAE界面是使用的基础。另外，仿真分析如何无缝的融入设计过程，减少设计人员使用CAE系统的难度也是目前发展的方向。仿真向导等技术精彩的体现了“以设计为导向”的先进思路。

　　下面以SolidWorks的Simulation产品简单介绍，从SolidWorks2009开始，其著名的FEA软件COSMOSWorks改名为SolidWorks Simulation。其为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中。

　　SolidWorks Simulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问(图2)、性能顾问(图 3)、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问

　　图2算例顾问 图3性能顾问

　　4.分析功能高级化;

　　实际产品的运用环境非常复杂，因此仅进行零件级别的分析是远远不够的，因此必须进行系统及部件级的分析。但是系统及部件级的分析存在着相当的难度，下面分别论述。

　　a)系统及部件级分析

　　以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。

　　其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系(图4)。

　　图4 面向设计者及分析专家的装配体连接关系

　　b)多领域的全面分析

　　任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。图5展示了在统一界面下产品的多领域分析。

　　图5统一界面下产品的多领域分析 图6 面向设计者的多场耦合分析

　　c)面向设计者的多场耦合

　　热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题(图6)。

　　d)特殊行业及领域的需求

　　面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具(图7);面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力(图8)。

　　图7压力容器应力线性化 图8 望远镜跌落分析

　　e)高级分析需求

　　面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求。5.面向制造的分析

　　面向制造的分析也是目前CAD环境下的一大趋势，例如可制造性分析、公差分析等。

　　6.易用与性能的矛盾

　　目前CAD/CAE软件使用上越来越简单，但是同时带来的矛盾是性能越来越差，如何提升性能与易用性之间的矛盾是目前的一大难题。因此各CAD厂商分别推出了适合自己产品的新技术。如SolidWorks2009推出了划时代的SpeedPak技术解决了大型装配体设计、装配和工程图性能的问题。其CAE产品线更在大装配、多CPU/多核等的FEA分析、运动学及CFD做了极大改善。可参见笔者的文章“SolidWorks 2009性能详解”。

　　7.人性化及智能性

　　如何使现有的CAD及CAE系统体现以人为本的思想，是目前发展的一大方向。因此在面向普通设计者时，对于深奥的CAE名词、概念及方法是必须摒弃的。

　　因此在使用时必须站在设计者的角度组织CAE使用习惯及考虑自动的上下关联智能操作。

　　8.知识工程

　　设计及分析知识作为企业最宝贵的财富，如何继承、组织、归纳和继承知识是知识工程的一大应用领域。这里面涉及到分析库(图9)、及PDM集成CAE技术等多方面的需求。

　　图9 集成在设计环境中的分析库 图10 全产品线的开放性

　　9.开放性

　　基于通用系统的专用平台是很多企业提高其使用能力和效率的方法，因此CAD/CAE平台的开放性是必须的，而且必须能支持最先进的.Net技术，并且能提供基于.Net的SDK开发包。图10为SolidWorks全产品线的开放性API。