現(xiàn)代CAE浴火重生

大多數(shù)技術的增進是對已有技術的改進。倘若舊技術已無法再提升，就必須打破舊思維，設法以新的架構取而代之！這樣的事情在現(xiàn)代CAE界正在發(fā)生！

　　經(jīng)典CAE軟件為了維持兼容性，不得不長期拖著沉重的包袱。雖然占有了市場，但應變能力下降，無法滿足用戶不斷變化的需求，猶如古老的戰(zhàn)車，權威但不善戰(zhàn)。而今，無論是非線性、動力學、流體、電磁還是優(yōu)化，各個領域新型的CAE技術不斷挑戰(zhàn)著經(jīng)典。整個CAE行業(yè)仿佛在經(jīng)歷著一場浴火重生的變革，讓現(xiàn)代CAE世界生機盎然。如果我們注意觀察目前活躍在市場的幾款CAE軟件，將會真正領略這一變革的精彩。

1. 柔體結構計算軟件

　　對浴火重生最具發(fā)言權的軟件應屬以非線性和多場耦合技術著稱的ANSYS軟件。

   其實ANSYS是一款具有悠久歷史的CAE軟件，產(chǎn)生于1970年，距現(xiàn)在有36年的歷史。但這個程序有過一段奇特經(jīng)歷：在上個世紀末，ANSYS近三年沒有推出新版本，直到她的用戶幾乎失去耐心。其實這三年中，ANSYS經(jīng)歷了一場涅磐：她的創(chuàng)始人John Swanson博士領導他的團隊花費三年的時間，利用最新編程技術重新編寫了程序架構，讓經(jīng)典的ANSYS借助現(xiàn)代IT技術的活力而蛻變成一款全新軟件。Workbench的推出向她的忠實用戶證明，他們沒有白等三年。ANSYS用她一系列卓越的新技術向耐心的用戶給予了回報：CAD模型雙向參數(shù)互動、裝配關系智能判斷、接觸單元自動建立、獨特變分技術、深厚的非線性技術、先進的多場耦合技術、高性能計算的率先突破1億自由度、并購程序的快速融合……，太多的領先技術折射出ANSYS的年輕和健康，重新建立的程序架構為ANSYS帶來了許多機會！終于在本世紀初躍居為世界第一大CAE軟件提供商。

2. 剛體動力學計算軟件

   與傳統(tǒng)的剛體動力學軟件相比，RecurDYN輕車快馬，風華正茂，極具戰(zhàn)斗力。

   RecurDYN由韓國FunctionBay公司1997年推出第一個版本，2002年進入中國。相對于70年代產(chǎn)生的機構動力學軟件晚了近20年。但遞歸算法在上世紀80年代的快速發(fā)展成就了RecurDYN的與眾不同。即使是對傳統(tǒng)剛體動力學軟件充滿感情的用戶，也不得不感嘆于這個新型軟件的過人之處。

   當RecurDyn的開發(fā)者創(chuàng)新性地采用局部坐標系來描述機構部件的時候，發(fā)現(xiàn)遞歸算法在機構動力學計算中的奇特價值。在局部坐標系中，描述每個部件的方程非常簡單。以一個平面問題為例，經(jīng)典軟件采用的全局坐標系需要三元二次方程組描述一個部件，在RecurDYN則只需要一個一元二次方程即可。而且每個部件的描述形式完全相同，可以通過遞歸算法求解。研究這個程序時，我不得不感嘆：最有價值的創(chuàng)新方案往往是最簡單的那個！RecurDYN把局部坐標系和遞歸算法相結合，大大減小了求解問題的規(guī)模，求解速度更快，穩(wěn)定性更高。在求解大規(guī)模、高速和病態(tài)問題方面的性能大大超過了其他同類軟件。

   另外，RecurDYN在處理柔體的能力方面也強于對手。其他軟件在處理柔體的時候需要在第三方柔體軟件中先進行模態(tài)分析。而RecurDYN只需要網(wǎng)格模型，柔體的計算可在本地直接進行，并不需要第三方柔體軟件的參與。

   快速接觸算法是RecurDNY的另一大特色。傳統(tǒng)軟件在大型接觸問題面前幾乎束手無策。即使形式上提供了接觸定義功能，但求解器是忠實的，求解速度之慢，幾乎無人能有興趣等待結果。而RecurDYN的求解速度是同類程序的幾十甚至上百倍。

3. 流體動力學軟件

   在計算流體動力學（CFD）領域尋找第二代領導者時，年富力強的CFX軟件進入我的視線。

   CFX軟件產(chǎn)生于上世紀90年代后期，比第一代CFD軟件新了15年左右，目前只有10年歷史。而最近10年卻正是世界CFD技術進展最快的10年。因此，采用第二代CFD技術的CFX占盡了優(yōu)勢。由于采用現(xiàn)代編程技術的新型架構，CFX在吸納最新CFD技術的時候沒有任何障礙，而第一代CFD軟件在這時候就顯得負擔沉重。在計算精度、收斂速度和穩(wěn)定性等方面，CFX均有突出的表現(xiàn)。大量測試顯示，CFX的收斂速度比第一代CFD程序快一到兩個數(shù)量級。在2003年的AIAA會議上，組織者利用多個CFD軟件，對DLR-F6翼身組合體和DLR-F6翼身發(fā)動機掛架組合體的一系列攻角狀態(tài)下的氣動阻力、升力、俯仰力矩進行了計算，CFX表現(xiàn)出的計算準確度優(yōu)于當時參與測試的任何一款CFD軟件，顯示出第二代CFD技術的優(yōu)勢。

4. 電磁仿真軟件

   在電磁仿真（CEM）領域，同樣存在令人興奮的景象。

   FEKO軟件作為CEM行業(yè)的一匹黑馬，演繹著新架構對舊架構的突破。有限元法在70~80年代初的快速發(fā)展，把早期的電磁仿真軟件帶進了玻璃屋頂下。矩量法和高頻近似方法在80年代后期的快速發(fā)展，成就了FEKO軟件的成功。

   FEKO由南非EMSS公司于1995年推出第一個版本，2001年進入中國。比同類軟件晚了近20年，但現(xiàn)在已經(jīng)成為CEM軟件中最令人刮目的一個。

   為說明FEKO的獨特之處，需要提及電磁計算領域的一個概念——電尺寸。電尺寸是指結構幾何尺寸與相關電磁波波長的比值。計算電磁學要求，無論對目標物還是電磁波的傳播空間（如空氣），單元邊長不得大于波長的1/10。這樣算來，如果結構尺寸大于十個波長時，分析需要的計算網(wǎng)格將非常之多（通常稱為電大尺寸問題）。有限元方法（微分方法）尤其如此，因為此方法需要對波的傳播空間也需要劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格太多往往使得計算量太大而被迫放棄。

   FEKO采用以矩量法（MOM）為主的積分方法，此類方法只需對計算目標劃分網(wǎng)格，波的傳播空間可以不劃分網(wǎng)格，這樣必然減少總體網(wǎng)格數(shù)量而使計算成為可能。而且FEKO還可PO/UTD/FMM等近似方法，這些方法將可計算的電尺寸進一步擴大，使得FEKO成為世界唯一可以解決電大尺寸問題的商業(yè)電磁分析程序。

   在航空航天和大型天線領域，電大尺寸問題一直是非常棘手的問題。尤其機載天線計必時，必須考慮天線間、天線與飛機之間的相互耦合作用，這種典型的電大尺寸問題現(xiàn)在終于被FEKO解決。

5. 設計優(yōu)化軟件

   基于變分技術的DesignXplorer VT在設計優(yōu)化領域點起了一把大火，且愈燃愈烈。

   DesignXplorer VT是ANSYS公司2001年推出的多目標優(yōu)化軟件，是ANSYS 2000年收購法國參數(shù)化技術公司CADOE后，將其技術集成到Workbench之后推出的新模塊。

   優(yōu)化算法的研究已經(jīng)發(fā)展成為一項龐雜的領域，目前人們對她仍然熱情不減。但無論新算法多么優(yōu)秀，總是擺脫不了一點：需要進行大量的迭代計算。設計自變量越多，需要的迭代次數(shù)越多。對于飛機火箭船舶汽車或者航空發(fā)動機這樣的復雜產(chǎn)品，設計自變量非常之多，由于需要大量迭代，優(yōu)化其實已經(jīng)失去意義。在優(yōu)化算法的廬山之中，所謂更優(yōu)秀的算法，也只是量變，沒有質變。但DesignXplorer VT跳出廬山，開創(chuàng)一種出人意料的方法：變分技術（VT: Variational Technology），這種技術只需一次計算，就可以到的優(yōu)化結果。

   VT技術深入到CAE程序內核，將CAE矩陣（剛度陣、質量陣等）的各元素改變成設計變量的函數(shù)（經(jīng)典CAE矩陣的元素是數(shù)值型的），從而使CAE分析過程函數(shù)化，計算結果也自然是設計變量的函數(shù)。采用這種算法，只需“一次求解”就可以得到整個設計空間的響應面，通過查詢就直接獲得最優(yōu)設計。不論設計變量有多少，這“一次求解”的時間都是普通有限元求解的5倍左右。因此，設計自變量越多，它的優(yōu)勢越明顯。

   其實，VT技術是一項通用技術，在ANSYS公司的許多軟件中都有應用。在其電磁模塊EMAG HF中進行S參數(shù)求解時需要掃頻計算，利用VT只需一次計算即可完成整個頻段上百個頻點的S參數(shù)計算。在Mechanical的非線性迭代計算中，通過歷史迭代信息形成下步迭代最佳預測，使得總迭代數(shù)最少，大大減少計算時間。當設計變量變更后，重新投入計算的迭代數(shù)更少，是ANSYS公司非常得意的技術之一。

6. 結語

   曾經(jīng)有句話說“大魚吃小魚”，告誡人們如果不能把自己變大，就可能被吞并。但當今世界的游戲規(guī)則變了，變成了“快魚吃慢魚”。君不見最近幾次CAE行業(yè)的大并購，都是典型的“快吃慢”，而非“大吃小”。古老的程序如果不能像ANSYS那樣涅磐，則可能會被新型的技術并購或替代，退出歷史舞臺。但不論怎樣，一個軟件會不會涅磐，并不影響整個CAE行業(yè)的浴火重生，我們慶幸于生長在這樣一個新生鳳凰振翅疾飛的時代！