揭开计算机辅助工程(CAE)的神秘面纱，让它走向平民化

以下内容，由海基科技常务副总裁袁俊先生撰写。

揭开计算机辅助工程（CAE，工程仿真）的神秘面纱，让它走向平民化

    近期，我在接触一些投资人、金融界人士和同学时，别人问我你们公司是干什么的，我发现在涉及到CAE时，我很难用通俗易懂的语言让别人一听便理解。这不是听众的问题，应该是我沟通的问题。所以我花了较多的时间重新来思考，写下下述文字，期望能解开CAE的神秘面纱，让它平民化。 

    要想了解CAE，首先我们看人类如何认知自然。

    人类认识和探索自然大致有以下几种方式。一是观察，这非常好理解；二是推演，从已知的东西、按照一定的逻辑方法，推测未知的世界，也比较好理解；三是试验，其实应该与观察并为一类，为什么我要单列呢？因为试验比观察更难以开展，需要更多的设计、组织、测量、分析，并用到很多复杂的试验设备；最后一种方式是计算模拟，并不是所有的东西都可以通过观察、推演和试验获得，比如受制于漫长的物理时间过程、比如宇宙的演化，比如无法在试验中复制现象发生的物理化学环境、比如核弹的爆炸过程。为什么能够开展计算模拟呢？因为人类在数千年的知识进化中，对于部分学科，形成了较为完整或严格的理论体系，这个理论体系在数学上已经被证明是合理的、正确的。通俗地说，对于无论是自然现象还是产品工作过程（当然只是一部分），我们已经发展出了可以用一组方程精确地描述这个过程，我们若希望了解更多的时间或空间上的细节或结果，只要设法把方程解出来即可。

    假设我们大家理解了上述内容，就理解了CAE的基础。

接下来，我们将范围缩小到产品开发，这里的产品特质狭义上的实体产品。我们来看CAE处于产品开发中的什么环节。

    首先我们来重温一下产品开发流程。

•       设计输入（产品性能改进要求，市场输入，公司内部规划等）

•       à调研研究（文献，竞争对手产品，最新技术和工艺，可行性等）

•       à外观功能设计

•       à设计计算（初步的产品性能）

•       à计算机制图

•       à虚拟试验（即计算机仿真）

•       à制造工艺设计

•       à制造

•       à试验、测试及数据分析

•       à设计评审

•       à提出改进设计需求

    我们再聚焦于最重要的开发目标—产品性能，围绕产品性能，大量的不同学科铺陈展开，几乎囊括了大部分人类文明发展出来的各类理工科学科专业。这是大学教育和社会上专业研发人员分工的基础。企业设置了各类部门和团队来承担这些专业性工作

    在产品流程开发中，设计目标比如产品性能，必须通过试验测试来验证设计是否达到性能目标。一般来说，要通过多次迭代设计、不断制造物理样机、并做试验来验证。周期和成本非常高。而且只是知其然、不知其所以然。如果我们能在产品设计的数字化样机（即在计算机上设计出全三维模型）阶段，能通过在计算机上做试验（即计算机仿真，CAE）判断性能是否符合设计要求，那设计迭代大部分工作就只需在计算机上完成，牵涉不到物理样机制造和试验，也就没有耗费成本和时间的材料购买、开模、工装夹具、生产制造、装备、试验等。等数字化样机和计算机试验反复做的差不多，最后再去做少量物理样机制造和试验，产品就能基本定型。

理解了计算机仿真在产品开发中所处的阶段后，我们来看看为什么CAE能在计算机上做实验，是怎么实现的？

    我们以飞机设计为例。

    大家知道，飞机能够克服重力起飞，要靠飞机机体（主要是机翼）以一定速度、角度切割空气产生升力。我们在计算机上初步设计出一架飞机（这架飞机有了特定的尺寸、曲面、结构布局、关键空间特征）后，如何判断能够这个设计是否满足这些指标？

    以升力和阻力为例。这个问题从学科上归结于空气动力学问题，飞机以一定速度和角度切割空气，空气会在机身绕流，在机身的不同地方会有不同的空气压力、速度，以机翼为例，上下表面的压力差就构成了向上抬升飞机的升力。空气绕流飞机的过程，可以由一组偏微分方程可以精确地描述，它叫Navier-Stocks方程，1827年就已经由法国和英国的科学家共同提出来。只要解出这组方程，飞机机身及周边各个点上的压力、速度都有了。这组方程非常复杂，流体力学专家们这一百多年来主要努力在解这组方程，一直在发展各类算法、各类数学和物理模型。幸运的是，近几十年人类有了计算机，就可以将复杂的计算通过程序交由计算机来解。

    我们不花时间来讲如何解这些方程的算法和软件实现，只需要大家明白，在算法理论不断进步的前提下，是越来越强大的计算机在人类的指令（程序）下来解这些方程，越解越快，越解越精细。

    实际上这个过程通俗地说就是在计算机上做吹风试验，来验证一种飞机设计的空气动力学特性是否满足要求。当然，最后我们还要在真实的风洞中做吹风试验，但次数已大大减少、时间大大节约、成本大大压缩，大家知道吗？C919大型客机在荷兰做风洞试验，一次要几千万元人民币，即使在目前有计算机仿真的情况下，也要做几十次、几百次的试验，如果没有计算机仿真呢？代价几乎是无法想象的。

那么最后我们探讨计算机仿真究竟有哪些类别？目前处于什么发展状态？

    一般来说，CAE主要关注产品特性中的抽象出的物理性能，比如力学特性、电学特性、光学特性等。按照被关注的物理特性，一般有这么几类软件：

结构分析软件：关注强度、刚度、振动特性

流体分析软件：关注温度、速度、压力、流量等特性

热分析软件：关注温度和热流等特性

电磁分析软件：关注电场和磁场强度和密度等特性

光学分析软件：关注光的照度、强度和辉度等特性

声学分析软件：关注声强、频率、声品质等特性

       CAE和CAD（计算机辅助设计，通俗地说就是计算机画图或数字化样机设计）、CAM（计算机辅助制造，比如数控机床编程）、CAPP（计算机辅助工艺规划）等统称为CAx，是制造业中最为核心的研发价值链，也是国内制造业和国外差距的主要领域。

       CAx和PDM产品数据管理都归为一个特定的制造业信息化大领域PLM（产品寿命周期管理）。PLM在全球是一个巨大的产业，2014年全球PLM总产值372亿美元，但在中国仅为14.69亿美金。随着中国制造业的产业转型，中国PLM市场的增长空间巨大无比。

    从以上分析可以看出，CAE是一个不折不扣的最高端的高科技领域，也是近四十年来美国等国家对中国封锁最严的领域。美国人有一个简单的逻辑思维：一旦中国人获得了顶级的CAE软件或掌握了开发CAE软件的全部技能，理论上设计任何国防和高科技产品都有了可能。

    因为CAE帮中国人实现了知其然并知其所以然。但事实是，中国与发达国家的差距非常大，中国的科学家（比如力学科学家）、计算技术科学家（算法研究和实现）、计算机图形等方面不缺顶尖高手，中国缺失了体制（特别是科研管理体制、高等教育体制）、文化（特别是创业文化、合作文化）、市场化方面的优势，同时中国失去了从上世纪70年代到90年代宝贵的20年、这个20年是发达国家CAE技术飞速发展的20年，以及中国制造业过去整体上以仿制、高密度资本、高人力成本、高资源消耗为主要特征，缺少对原创性研发的追求，CAE自主化的市场应用环境因此并未形成。

    但差距也是机遇，希望更多的优秀人才、产业资本能够聚拢到这个领域，那将是一件不但商业上可以创造奇迹、对于整个国家也是产生巨大价值的伟业。