CAE定义、开发难点及软件架构介绍

高集中度的卡位环节，国产替代乘风而起。

1.CAE是什么

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE），是指在产品/工 程设计阶段用计算机软件对产品/工程项目的工作状态、行为进行基于物理 模型的模拟，来预测其功能可用性、可靠性、效率和安全性等，实现产品/ 工程的设计优化，保证产品/工程达到预期功能并满足各种性能指标。在产 品/工程设计与改进中，CAE 软件的应用，能够起到优化设计方案、提升产 品性能、减少试验次数、提升研发效率、缩短开发周期、降低设计风险和研 发成本的效果。CAE 软件本质是把物理和工程学科的理论模型做数学处理后得到的代数求 解过程固化而成的计算机程序，且包括丰富的工程数据、模型和简单易操作的用户界面和结果分析功能。作为一种综合性、知识密集型信息产品，CAE 融合了物理学、数学、工程学、计算机科学等多学科的算法和技术，涉及学 科广，模型复杂，需要深厚的理论基础和持续的技术创新。

以上，我们可以看到 CAE 作为一种工业工程软件，其开发难点主要体 现在以下几点： CAE 软件的底层是物理学和数学，归根结底是基础学科的突破。物理 学角度来看，CAE 的本质是用物理学规律或模型对工程问题进行客观 描述。比如流体力学中，流体运动在宏观上满足动量、质量、能量守恒 等物理规律，在微观上满足分子动力学理论，就可以依据一定模型来对 流体运动进行宏微观的描述，如 Navier-Stokes 方程等。从数学的角度， CAE 是使用合适的计算数学方法，如有限差分法（FD）、有限体积法 （FVM）、有限元方法（FEM）、格子 Boltzmann（LBM）、气体动 理学算法（GKS）等方法，将基于物理学规律和模型而成的理论方程 变换为计算机可以表达、存贮和求解的代数方程。

CAE 对算力与算法的要求较高。CAE 软件的底层算法实现涉及到大量 复杂计算，需要计算机提供强大的算力支持并加速计算过程；要通过计 算机语言对物理法则和数学方程进行描述，以算法形式建立约束条件， 进行参数优化等。同时，通过计算机技术，帮助用户进行关键参数和规 则的输入、实现仿真过程并在后处理中提供计算机图形处理和展示。在 较为复杂的仿真分析中，充足的算力基础和简洁高效的算法对 CAE 软 件的工作效率有着较为重要的作用。CAE 需要应用于复杂多变的实际工程场景，背后是复杂的工艺 Know-how。

CAE 软件的开发目标是解决实际的工程问题，工程问题具有复 杂性，仿真软件必须要与具体的工况相结合，才能发挥出实际的效果。 工业软件本身是工业技术软件化的产物，其源于工业领域的真实需求， 是对工业领域研发、工艺、装配、管理等工业技术/知识的积累、沉淀 与高度凝练。由于不同工业领域所面临的学科理论、工况环境、规范及 标准不同，因此，CAE 软件在开发时，需要针对特定的工程问题进行 深入研究，不断推陈出新，才能更好的实现仿真模拟，开发出符合客户 需求的 CAE 软件产品。

2.CAE软件的架构

CAE 软件通常包括核心的求解器与图形用户界面（GUI），使用过程通常 包含前处理、求解计算与后处理三个阶段。前处理过程中，用户在 GUI 为 求解器提供/生成实际的几何模型和空间网格，选择物理模型和数值求解算 法及其参数，根据实际工况设臵求解的边界条件，之后求解器开始运行求解 并输出结果数据，整个计算过程无需用户干涉。求解过程结束，用户用软件 对计算结果进行后处理，包括对计算结果数据的提取、分析和展示等。

前处理：在前处理过程中，首先需要具备网格/粒子离散模型，离散模 型可以通过软件自带的几何建模和网格/粒子离散模块实现，也可以导 入外部的几何模型或网格/粒子模型。之后设定计算区域，选择物理模 型、材料、数值求解格式，以及设臵初始条件、边界条件、载荷、约 束等。上述各项物理和数值求解参数设臵完成之后进行求解过程。由 于通用 CAE 软件支持多种多层次的物理模型、边界条件、材料、数值 求解格式，所以前处理过程需要诸多步骤，且各项设定都会影响计算 结果，CAE 获得准确可靠结果的前提就是前处理阶段的各项输入和设定正确合理。

求解器：求解器将 CAE 软件底层的物理、数学算法用计算机语言展示 并计算求解，是 CAE 软件的核心，具有较高的知识产权价值，在产业 链中占据价值的“制高点”。求解器的性能直接决定了 CAE 软件的技 术水平。求解器旨在求解数学物理模型对应的方程，构建求解器算法 的关键步骤是使用合适的计算数学方法，不同的数值格式决定了代数 方程组的最佳求解方式、求解效率和稳定性以及它逼近原始偏微分方 程的精确程度。后处理：后处理模块用于处理和显示 CAE 求解器生成的结果数据。 CAE 求解计算会产生大量的数据，为了获得数值模拟的研究结果，必 须对计算产生的数据进行分析、理解，以便发现计算过程中出现的情 况和问题，从而正确地认识和理解被研究对象。后处理模块为客户提 供了可视化的界面，通过多种方式展现工程问题的模拟结果，包括图 表、图形、动画等。