观点

CAE工程师到底是个什么岗位?

如果有人问我是做什么的,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,首先我们来看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)
  • 调研研究(文献,竞争对手产品,最新技术和工艺,可行性等)
  • 外观功能设计
  • 设计计算(初步的产品性能)
  • 计算机制图
  • 虚拟试验(即计算机仿真)
  • 制造工艺设计
  • 制造
  • 试验、测试及数据分析
  • 设计评审
  • 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。

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