CAE技术以“假”乱真

并不是任何事都能够通过仿真软件来实现，但其真义在于，它能寻找到各个领域、各个学科之间一些共同的内在规律。

2012年8月6日北京时间13时31分，几乎所有人都在注视着那颗远在1.6亿公里外的红色星球。

当喷气推进的运载飞行器悬停在火星表面，将好奇号探测车轻轻地降落在火星上的盖尔火山口上时，大家都松了一口气—整个过程仅持续7分钟，被美国航空航天局（NASA）的工程师们称为“惊险7分钟”。

空中起重机的着陆顺序要求探测车在下降时从收起的飞行形态转为着陆形态，从下降段开始放下车轮。最后的进入、下降及空中起重机着陆阶段，不仅过程复杂，且无法从地球上进行人工干预。

这是NASA第一次尝试用这种方式发送探测器，此前它都是利用降落伞或者大型衬垫包裹将探测器弹落到火星表面。好奇号相比原先的探测器，重量增加5倍、长度增加2倍，却要降落在比以往小1/5的坑洞中，过去的方法已不适用。

而整个着陆只有一次机会，要么成功，要么，价值25亿美元的探测车有可能损毁，并化成大量火星尘埃。

确保成功的其中一个筹码是“计算机仿真技术”（CAE），即在之前测试模拟整个过程。相比单个测试零部件的方法，目前，这种技术已可以做到复制火星的重力、大气和着陆条件，确认整个过程中各环节、各部件能否顺利协同。

“仿真建模的原理并不是试图100%地准确预测每个事件，而是要确定有可能出现在每个零部件上的边界极限设计荷载。”NASA喷气推进实验室负载与动态仿真团队负责人兼首席工程师Chia-Yen Peng博士说。

CAE技术最初正是为满足NASA的需求而诞生的。这还要追溯到约翰·肯尼迪当总统的时代，当时，他提出人类登月计划，并要求两位数学家Richard MacNeal和Robert Schwendler模拟出月球的场景，以及火箭发射前后会发生什么。

“火箭只能发射一次，失败了就结束了，你需要重新开始。这样代价太高了，不可能重新再来。”全球最大的CAE软件服务商之一MSC软件公司亚太区副总裁Eric Favre对《第一财经周刊》说。

MSC的名字正是源于MacNeal和Schwendler。这两位科学家后来成为了MSC软件公司的创始人，他们研发的第一个商业化产品是MSC Nastran，一款提供商业工程分析的仿真软件。

MSC的第一位客户是一名土木工程师，他在MSC的软件帮助下设计大坝了和巨型坝。而MSC Nastran早期的客户中还有麦道飞机，早在1971年，它就采用了该技术设计航天飞机。当然，还有NASA。

现在，航空航天和工程仍然是CAE应用最广泛的行业。在今年8月初发生的云南鲁甸地震中，救灾指挥中心的技术人员就通过三维仿真建模技术制成了一份电子沙盘，上面对塌方体的各角度影像、每块岩体和落石的形态均有显示。这避免了观测人员亲临各种危险区域，而且大大节省了时间和成本。而在塌方体上随机选取一块岩体，仿真软件都可通过已知的体积和质量测算出它的质量，并且测算出它所在的坡体角度、滚落的可能性、滚落的冲击力有多大、距离有多远等等。

而真正让MSC这些软件公司迅速扩张的则是汽车工业的发展。

如今，越来越多的汽车公司用CAE软件来帮助自己削减开发成本、改善品质和性能，以及缩短产品上市时间。该技术不仅应用在仿真测试汽车性能上，还能协助汽车设计。

传统的汽车设计，每一步都需要做很多模型，最后进行分析才知道是否与设计相符，如若不符就要推翻重新再做。这不仅浪费时间，也耗费成本。而通过仿真软件，不需要等到最后才能发现问题，工程师可以在设计的过程中随时更改。

“仿真不是对结果仿真，是对过程仿真。这是一个迭代的过程，随着设计的完善，仿真也在不断地迭代。”Favre说。

MSC公司针对各行业各个层面的需求，已开发出不同的软件。比如Adams软件，可以模拟并优化汽车系统的变化率，以满足车辆过载时的舒适性目标，同时还能实现燃料经济性最大化。

新能源和一些新概念汽车的出现，已让MSC公司看到了新的商机。比如模拟采用重量更轻的复合材料的汽车如何设计—现在已经有包括发动机在内的纯复合材料汽车了，它减轻车重同时，也减少了碳排放和能源的使用。据Favre介绍，在这方面，客户的投入越来越多，“一家韩国公司很看好我们的技术。”“在汽车行业的最新应用，是关于更好的生活和环境的。”他说。

虽然应用于各行业的CAE软件都是通用的，但MSC尝试着改变分析和设计的流程，并且把很多的软件融合在一起，也将不同的学科融合在一起。

改变也包括观念的进化。比如MSC的CAE分析计算开始都是基于宏观世界的，而现在则越来越重视对微观世界的分析。“微观世界的分析会带来设计理念的变化。现在我们经常和用户说，设计要从系统、零件、材料就开始思考，这样才能将产品在激烈的竞争环境中推向市场，”Favre说，“我们的目标是让软件的使用更容易，得到更广泛的运用。”

而除了汽车，仿真技术现在另一大应用领域则是医疗，它被越来越多地用在了对人体及其行为的研究中。假肢、眼球、心脏支架等人工器官都可以通过软件仿真，模拟受力，估计其使用寿命。CAE仿真技术和3D打印技术的结合，也创造出了更多的可能性。

英国南安普顿大学的Mark Taylor教授和另一家仿真技术提供商Simpleware软件公司，就合作进行了关节置换中的植入物材料结构分析研究，希望通过降低股骨假体刚度来影响股骨髋关节置换手术中的载荷传递。在研究中，仿真软件可以对内部微观结构进行了简单的设计，然后将模型直接进行3D打印。

通过先期的分析研究，当病人在接受真正的关节移植的时候，能够使用更合适的植入材料，减小植入固定、疼痛甚至骨折的可能。

“技术就是我们生意的基础，”Favre说，“每个客户有不同的需求，技术来源于客户的需求驱动，商业就在不同领域的人一步一步合作中形成了。”

Favre甚至从CAE软件中洞悉到了一些哲理。他表示，虽然不是任何事都能够通过仿真试验而实现，电脑模拟也不能取代物理试验，但仿真软件的研究，让他发现，各个领域、各个学科之间其实都有一些共同的内在规律—找到这些规律，是他们工作的关键。