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標題：現代CAE浴火重生
日期：2007/6/28 源自:中華職工學習網	【字體：】

大多數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！這樣的事情在現代CAE界正在發生！

　　經典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，猶如古老的戰車，權威但不善戰。而今，無論是非線性、動力學、流體、電磁還是優化，各個領域新型的CAE技術不斷挑戰著經典。整個CAE行業仿佛在經歷著一場浴火重生的變革，讓現代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，產生于1970年，距現在有36年的歷史。但這個程序有過一段奇特經歷：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經歷了一場涅磐：她的創始人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，讓經典的ANSYS借助現代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

   與傳統的剛體動力學軟件相比，RecurDYN輕車快馬，風華正茂，極具戰斗力。

   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年代的快速發展成就了RecurDYN的與眾不同。即使是對傳統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的開發者創新性地采用局部坐標系來描述機構部件的時候，發現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模，求解速度更快，穩定性更高。在求解大規模、高速和病態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分析。而RecurDYN只需要網格模型，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占盡了優勢。由于采用現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、收斂速度和穩定性等方面，CFX均有突出的表現。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翼身發動機掛架組合體的一系列攻角狀態下的氣動阻力、升力、俯仰力矩進行了計算，CFX表現出的計算準確度優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，但現在已經成為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格。網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格，波的傳播空間可以不劃分網格，這樣必然減少總體網格數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在終于被FEKO解決。

5. 設計優化軟件

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

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

   優化算法的研究已經發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，需要的迭代次數越多。對于飛機火箭船舶汽車或者航空發動機這樣的復雜產品，設計自變量非常之多，由于需要大量迭代，優化其實已經失去意義。在優化算法的廬山之中，所謂更優秀的算法，也只是量變，沒有質變。但DesignXplorer VT跳出廬山，開創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（經典CAE矩陣的元素是數值型的），從而使CAE分析過程函數化，計算結果也自然是設計變量的函數。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更少，是ANSYS公司非常得意的技術之一。

6. 結語

曾經有句話說“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則變了，變成了“快魚吃慢魚”。君不見最近幾次CAE行業的大并購，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！

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