现代产品的设计与制造正朝着高速、高效、高精度、低成本、节省资源和高性能等方面发展，复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面都提出了新的挑战。
“增强自主创新的能力，建设创新型国家”是我国确定的国家战略。当代科学技术的发展趋势、世界主要发达国家的战略选择以及我国的基本国情，决定了我国不可能选择资源型发展模式或技术依附型的发展模式，而必须提高自主创新能力，走建设创新型国家的发展道路。这一战略目标的提出，源于一个深刻的背景: 一个产业技术依附的“黑洞”，正将包括中国在内的发展中国家“吸”入发达国家的全球体系中，而我国的自主研发能力，尤其是企业的自主研发能力，则存在着被这个黑洞所“吞噬”的危险。
机电制造业渴求技术创新
制造业是我国国民经济发展的基础和支柱，中国已成为世界第四制造大国，但距离制造强国还有较大的差距，就技术创新而言，我国在机电产品制造领域存在的不足主要表现在如下几方面:
● 设计能力弱于制造能力。设计缺乏系统性、理性的指导和技术支撑，产品多“形似”，少“神似”;
● 整机研发能力弱于单一零部件的研发能力;
● 复杂机电系统产品的研发能力弱于单纯机械产品的研发能力;
● 设计多以传统常规设计为主，缺乏鲁棒性、优化设计和使能手段;
● 缺乏工程数据、产品及设计知识的积累与重用，急需支持数据、知识集成和重用的支撑平台;
● 实现了产品设计工具的计算机化，但开发流程仍然延续传统的管理方法，开发模式和方法从内在机制上缺乏对集成性、并行性和自适应性的支持，难以形成快速响应的设计能力。
上述不足严重制约着我国制造业的发展。随着科学技术的进步，现代产品的设计与制造正朝着高速、高效、高精度、低成本、节省资源和高性能等方向发展。人们对产品结构的要求越来越高，不仅要求结构能完成预定的复杂使命，而且还要具有良好的静、动力特性、寿命长、工作安全可靠等特点，复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面都提出了新的挑战。适应形势发展的需要，采用国际上当今最先进的数字化设计与制造技术及开发流程，已经成为科技界和工业界的共识。数字化设计与制造技术的内涵丰富，其中，CAE分析是其核心。
机电制造领域的CAE纵览
1. 研究问题的分类
在机电产品制造学科领域，研究的对象通常都是由大量零部件构成的复杂机电系统。在对它们进行设计优化与性态分析、运行行为模拟时，研究问题可以分为结构问题和机构问题两大类; 通常的研究内容可以归结为以下几个方面。
（1）结构的力学性能分析
结构的特征是在正常的工况下，构件之间没有相对运动，如各种车辆的壳体以及各种零部件本身。设计中，人们关心的是这些机械结构和零部件的强度、刚度、稳定性以及振动方面的性能，这类问题属于固体力学与结构力学范畴，必须借助于力学研究分析、力学实验和计算加以解决。
（2）机构的动力学分析
机构的特征是系统在运行过程中构成系统的部件之间存在相对运动，如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂机械系统，其力学模型由多个物体通过运动副连接而成，通常称为“多体系统”。人们关心的是这些机构在运转时的运动规律和动力学特性，这类问题属于多体动力学研究的内容。
在机构的动力学分析方面，习惯的方法是用拉格朗日第二类方程或牛顿－欧拉方程导出位置与姿态坐标的运动微分方程。在实际工程中不得不将系统做许多强制性的简化，降低自由度。这样做很难揭示复杂的动力学性态，也得不到精确的分析结果。
（3）样机分析
现代化机电产品通常都是由机械、电子、软件及控制等多个子系统组成的复杂系统，其整体行为不完全取决于各独立子部件的行为，其新型号研制往往涉及多学科、多领域专业知识，是一项复杂的系统工程。当然，这类复杂的产品在传统的研发过程中，制作物理样机通常是无法避免的环节，传统的设计方法和技术很难实现系统的快速整体综合优化，迫切需要从系统的角度去研究和解决这种复杂机电中出现的融合集成效应。
（4）结构优化设计
认识世界是基础，更重要的去改造世界，CAE分析的目的主要还是供设计之用。人们在设计中总是追求优选的方案，或者寻求最轻重量的解，或者寻求最低的造价，或者寻求合理的几何形状，以降低应力集中系数，或者规定某个频率禁区，或者寻求最大的极限载荷，或者设计预应力张拉以求最大的安全度等等，这就是优化设计。概括地说，优化设计就是在一定条件的约束限制下，使工程设计中预定的指标达到最优。优化设计包括总体方案的设计、产品零部件结构的优化、工艺参数的优化、可靠性优化等。由于对结构、机构以及复杂机械系统计算分析都存在着很大的困难，因此传统优化设计的应用受到了极大的限制。
2. CAE的内涵
在机电产品研发过程中存在的各类物理、力学问题，都可以依据相关学科的理论给出问题的边值或初值微分方程。严格地讲，确定的工程初值、边值问题的精确解析解是存在的，可是，这类方程并不能利用现有的解析方法进行精确求解，必须寻求近似解法，并借助于计算机进行求解。
在结构分析方面，固体力学与计算机技术相结合，出现了计算结构力学。特别是有限元技术的出现，使得结构分析中所存在的由于结构复杂、边界条件复杂等传统技术无法解决的问题都得到了有效解决。有限元法不仅可以用于线性静力分析，也可以用于动态分析，还可以用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。
在机构分析方面，在计算机技术支持下，出现了计算多体动力学，使得机构和复杂机电产品计算分析过程中遇到的运动学、动力学和控制等问题都得到了有效解决。
近几年更是出现了虚拟样机这门新兴的技术，它在建造物理样机之前，通过建立机械系统的数字化模型进行仿真分析，并用图形显示该系统在真实工程条件下的运动特性，辅助修改并优化设计方案。
优化设计是现代设计方法学中的一个重要组成部分，特别是近年来优化设计技术与有限元分析技术、多体动力学分析技术相结合，优化设计技术得到了快速发展和更深入、更广泛的应用。在尺寸优化的基础上，又出现了结构拓扑优化、结构形状优化和结构布局优化等计算机辅助优化设计技术。
上述各项利用计算机辅助分析的技术构成了计算机辅助工程（CAE)分析技术。在制造学科领域，通常认为只要涉及利用计算机软、硬件平台，根据物理学、力学等基本原理在产品设计、研究和开发过程中所开展的产品性态分析、运行行为模拟和设计优化工作都属于CAE。
CAE促机电产品研发
CAE的应用领域越来越广泛，已广泛应用于机械、汽车、土木、航空航天、材料分析等诸多领域，已经成为结构性能分析与仿真的一种非常有效的手段，也是现代设计方法中的一个重要领域。
利用CAE技术进行结构性能分析、机构运动学/动力学分析和结构优化设计时，无需进行很多简化，而且求解速度快、结果精度高。
CAE分析技术在机电产品研发过程中的应用及作用在汽车制造业中得到了最充分的体现，汽车及其零部件的设计是CAE技术最早、也是应用最广泛的领域之一。CAE技术的应用提高了汽车及其零部件设计的可靠性，缩短了汽车开发设计周期，大大推动了汽车工业的发展。
从汽车的开发过程来看，CAE分析可以贯穿汽车开发的全过程。概括起来，目前汽车开发过程中的有限元分析主要包括:
（1）结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计。汽车结构有限元分析的应用体现于: 一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析; 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中，用有限元法作为结构分析的工具; 三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计了提供方便。
（2）噪声、振动与不平顺性(NVH)分析。有限元法除了广泛应用于汽车结构分析外，还可应用于车身内的声学设计，通过车身内声模态与整机模态的耦合，评价乘员感受的噪声，并进行噪声控制。
（3）疲劳寿命与可靠性分析。汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，要求汽车在设计的使用期内整车和零部件完好，不产生疲劳破坏; 而达到使用期后，零部件尽可能多地达到损伤。以求产品轻量化，节约材料和节省能源。
（4）碰撞与安全性分析。汽车模拟碰撞分析的目的就是为了提高汽车被动安全性能。对于汽车被动安全性能的要求，一是在碰撞时，车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量，缓和冲击; 二是发生事故时，确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能，以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。
（5）气动或流场分析。随着计算机技术的飞速发展, 应用计算流体力学(CFD)方法来预测汽车车身外部流场已成为可能。CFD 在汽车领域中的绝大部分应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。在内燃机的设计和开发中，CFD 已经被作为一种重要而有效的工具加以利用。
（6）汽车的可操纵性分析。车辆的可操纵性分析是指利用整车多体动力学模型，在驾驶人员采用不同驾驶方法的情况下，对车辆的侧倾稳定性进行仿真研究，还可以预测车辆在各种极限条件下的性能。
（7）整车性能的分析评价与预测。从整体的角度对汽车的各种性能进行分析和预测，包括汽车的空气动力学特性、声学特性、振动特性、操纵稳定性、乘坐舒适性、碰撞安全性等。
（8）电磁场分析、传热分析。CAE分析技术已经成为汽车结构性能分析与仿真的一种非常有效的手段。实践证明，CAE分析技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂汽车工程问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。计算机辅助分析使大量繁杂的汽车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，使汽车工程分析更快、更准确，在产品的设计、分析及新产品的开发等方面发挥了重要作用。
像汽车研发一样，在许多重要机电产品的研发中，CAE分析已是设计链中必须的常规，没有CAE分析的设计不能进入下一个技术流程。新产品开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用，同时避免了产品投放市场初期常常出现的质量问题而影响新产品的声誉。可以说，没有CAE应用就没有产品的高质量，没有CAE 就没有自主的产品开发能力。
成功应用CAE软件
加强CAE技术的使用及建立高效的流程是大量降低产品研发时间和成本的关键，工程和制造业的生命力就在于工程和产品的创新，而实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最重要的技术保障就是采用先进可靠的CAE软件（图2描述了CAE技术实施的三个环节）。不幸的是，使用者对于软件的熟悉程度和工作经验各不相同，因此存在的问题是，对于某些用户来说，可能并未很好地理解所处理的物理系统或应用的算法，这些软件对于他们来说只不过是具有强大分析能力的黑箱。盲目地相信计算机提供的结果是相当危险的，因为CAE模型中可能会有潜在的危险，只有当模型能如实地反映结构的几何形状、材料特性、传力路线、承载方式及边界约束条件等因素时，才有可能取得一个接近真实的结果。要建立一个好的模型，必须有丰富的经验和良好的工程直觉。对于一个工程师来说，要想获得CAE分析的经验以及建立应用CAE软件处理问题的能力和信心，一个有效的途径就是先解决一系列相对简单的标准问题，日积月累，逐渐培养工程感觉。对于企业而言，确定标准的CAE流程是发挥CAE效益的重要保证和前提。CAE的内容十分丰富和复杂，包括开展何种CAE工作、如何开发CAE产品专业接口、如何实施CAE具体工作、落实CAE分析规范等方面，应逐渐建立CAE应用技术规范及技术标准，包括CAE模型建立规范、验模规范、仿真分析规范及评价指标规范，进而形成符合企业自身产品特点的CAE分析体系。
王书亭
博士/副教授，华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心（武汉）副主任，主要研究方向为数字化设计与制造领域中产品结构优化设计、计算机辅助工程（CAE）分析等。近几年来负责、参加了多项国家级科研项目和企业工程化项目，在国内外学术期刊上发表论文40余篇。
链接一:CAE的主要内容
CAE是一个不断发展和变化的概念，其内涵和外延都在随着CAE应用的深入而不断变化着。当前在制造领域，在产品开发过程中，CAE通常包括: 产品物性参数分析、产品结构性状计算分析、产品机构运行行为模拟仿真、产品结构优化设计等几大方面（如图1所示）。
（1）物性分析: 产品物性参数分析一般是指对质量、质心位置、体积、惯性力矩等物性参数的计算。
（2）结构性能分析: 产品结构性状通常指结构的强度、刚度和稳定性等力学问题，也称结构应力场问题。结构应力场问题的计算分析可以采用有限元法、有限差分法、边界元法、无网格法以及专门化法（有限条法、有限柱法）等数值方法进行求解，它们的共同点都是设法将实际上是无穷多自由度的连续介质问题近似地简化为由有限个结点构成的有限个自由度问题，并以这些结点的“自由度”为未知量，设法将控制方程近似地转化为一组线性代数方程，然后用计算机进行求解。
上述方法在不同的条件下各有其独到的特点，但相比而言，有限元方法发展得最成熟、应用也最广泛。通用性是有限元法广受欢迎的一个主要原因，除可以分析上述结构应力场问题之外，还被广泛应用于流场（流体问题）、温度场（热问题）和电磁场（电磁问题）问题的计算和分析。
（3）机构动力学分析: 产品机构运行行为模拟仿真涉及机构的静力学、运动学、动力学和控制系统分析等，这类问题一般采用计算多体系统动力学进行求解。
（4）虚拟样机分析: 概括地说，数字化功能样机技术是在CAD/CAM/CAE技术和一般虚拟样机技术的基础上发展起来的，其理论基础为多体系统动力学、结构有限元理论，以及多领域物理系统混合建模与仿真理论和多学科设计优化技术与方法。该技术侧重于系统层次的性能分析与优化设计，通过虚拟试验精确、快捷地预测复杂机电产品系统性能。虚拟样机又分虚拟结构样机、虚拟性能样机和虚拟功能样机等几个层次。
（5）结构优化设计: 产品的结构优化设计以往主要是指以产品的结构尺寸为设计变量的尺寸优化，近年来已发展到结构形状和拓扑的优化阶段，可以进行多设计变量、多种约束条件、多种载荷工况条件下的多目标问题的优化设计了。
链接二:常见的CAE工具软件
要想充分发挥CAE技术的作用，必须要依靠先进可靠的CAE软件。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。
在CAE发展过程中，有限元法、计算多体系统动力学、机构优化设计等理论的发展使得计算、分析方法实现了程式化，与计算方法、软件工程相结合，开发了众多功能相当完备的大型计算机软件，如NASTRAN、ANSYS等。这些软件有相当好的用户界面，工程技术人员只要按照软件提出的操作方法，输入结构模型的数据，数学模型的建立与数值分析过程均由计算机完成，实现了自动建模与数值分析，并将分析结果以数据文件、图表等直观的形式提供给用户。这样，工程技术人员可将主要精力用在对结果的分析与提出改进的对策上，从而大大提高结构分析的效率与精度。
CAE软件可以分为通用CAE软件和专用CAE软件。针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能计算、分析、预测和优化的软件，称为专用CAE软件; 相应地，可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行计算、分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称为通用CAE软件。
目前市场上的CAE软件，在功能、性能、可用性和可靠性方面，基本上满足了用户的需求，它们可以运行在超级并行机和大、中、小、微等各类计算机系统上。典型的CAE软件主要有:
● 有限元分析软件: ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、COSMOS、MSC.Nastran、MSC.Marc等;
● 多体动力学分析软件: ADAMS、DADS、VisulNastran等;
● 流体动力学分析软件: Fluent、StarCD等;
● 复杂功能样机分析领域: Dymola、AMESim等;
● 计算机辅助优化设计软件: iSight、Altair.HyperWorks、Tosca等。
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