现代CAE浴火重生

作者：安世亚太（ANSYS-CHINA） 田锋

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 大多数技术的增进是对已有技术的改进。倘若旧技术已无法再提升，就必须打破旧思维，设法以新的架构取而代之！这样的事情在现代CAE界正在发生！ 经典CAE软件为了维持兼容性，不得不长期拖着沉重的包袱。虽然占有了市场，但应变能力下降，无法满足用户不断变化的需求，犹如古老的战车，权威但不善战。而今，无论是非线性、动力学、流体、电磁还是优化，各个领域新型的CAE技术不断挑战着经典。整个CAE行业仿佛在经历着一场浴火重生的变革，让现代CAE世界生机盎然。如果我们注意观察目前活跃在市场的几款CAE软件，将会真正领略这一变革的精彩。 1. 柔体结构计算软件 对浴火重生最具发言权的软件应属以非线性和多场耦合技术著称的ANSYS软件。 其实ANSYS是一款具有悠久历史的CAE软件，产生于1970年，距现在有36年的历史。但这个程序有过一段奇特经历：在上个世纪末，ANSYS近三年没有推出新版本，直到她的用户几乎失去耐心。其实这三年中，ANSYS经历了一场涅磐：她的创始人John Swanson博士领导他的团队花费三年的时间，利用最新编程技术重新编写了程序架构，让经典的ANSYS借助现代IT技术的活力而蜕变成一款全新软件。Workbench的推出向她的忠实用户证明，他们没有白等三年。ANSYS用她一系列卓越的新技术向耐心的用户给予了回报：CAD模型双向参数互动、装配关系智能判断、接触单元自动建立、独特变分技术、深厚的非线性技术、先进的多场耦合技术、高性能计算的率先突破1亿自由度、并购程序的快速融合……，太多的领先技术折射出ANSYS的年轻和健康，重新建立的程序架构为ANSYS带来了许多机会！终于在本世纪初跃居为世界第一大CAE软件提供商。 2. 刚体动力学计算软件 与传统的刚体动力学软件相比，RecurDYN轻车快马，风华正茂，极具战斗力。 RecurDYN由韩国FunctionBay公司1997年推出第一个版本，2002年进入中国。相对于70年代产生的机构动力学软件晚了近20年。但递归算法在上世纪80年代的快速发展成就了RecurDYN的与众不同。即使是对传统刚体动力学软件充满感情的用户，也不得不感叹于这个新型软件的过人之处。 当RecurDyn的开发者创新性地采用局部坐标系来描述机构部件的时候，发现递归算法在机构动力学计算中的奇特价值。在局部坐标系中，描述每个部件的方程非常简单。以一个平面问题为例，经典软件采用的全局坐标系需要三元二次方程组描述一个部件，在RecurDYN则只需要一个一元二次方程即可。而且每个部件的描述形式完全相同，可以通过递归算法求解。研究这个程序时，我不得不感叹：最有价值的创新方案往往是最简单的那个！RecurDYN把局部坐标系和递归算法相结合，大大减小了求解问题的规模，求解速度更快，稳定性更高。在求解大规模、高速和病态问题方面的性能大大超过了其他同类软件。 另外，RecurDYN在处理柔体的能力方面也强于对手。其他软件在处理柔体的时候需要在第三方柔体软件中先进行模态分析。而RecurDYN只需要网格模型，柔体的计算可在本地直接进行，并不需要第三方柔体软件的参与。 快速接触算法是RecurDNY的另一大特色。传统软件在大型接触问题面前几乎束手无策。即使形式上提供了接触定义功能，但求解器是忠实的，求解速度之慢，几乎无人能有兴趣等待结果。而RecurDYN的求解速度是同类程序的几十甚至上百倍。 3. 流体动力学软件 在计算流体动力学（CFD）领域寻找第二代领导者时，年富力强的CFX软件进入我的视线。 CFX软件产生于上世纪90年代后期，比第一代CFD软件新了15年左右，目前只有10年历史。而最近10年却正是世界CFD技术进展最快的10年。因此，采用第二代CFD技术的CFX占尽了优势。由于采用现代编程技术的新型架构，CFX在吸纳最新CFD技术的时候没有任何障碍，而第一代CFD软件在这时候就显得负担沉重。在计算精度、收敛速度和稳定性等方面，CFX均有突出的表现。大量测试显示，CFX的收敛速度比第一代CFD程序快一到两个数量级。在2003年的AIAA会议上，组织者利用多个CFD软件，对DLR-F6翼身组合体和DLR-F6翼身发动机挂架组合体的一系列攻角状态下的气动阻力、升力、俯仰力矩进行了计算，CFX表现出的计算准确度优于当时参与测试的任何一款CFD软件，显示出第二代CFD技术的优势。 4. 电磁仿真软件 在电磁仿真（CEM）领域，同样存在令人兴奋的景象。 FEKO软件作为CEM行业的一匹黑马，演绎着新架构对旧架构的突破。有限元法在70~80年代初的快速发展，把早期的电磁仿真软件带进了玻璃屋顶下。矩量法和高频近似方法在80年代后期的快速发展，成就了FEKO软件的成功。 FEKO由南非EMSS公司于1995年推出第一个版本，2001年进入中国。比同类软件晚了近20年，但现在已经成为CEM软件中最令人刮目的一个。 为说明FEKO的独特之处，需要提及电磁计算领域的一个概念——电尺寸。电尺寸是指结构几何尺寸与相关电磁波波长的比值。计算电磁学要求，无论对目标物还是电磁波的传播空间（如空气），单元边长不得大于波长的1/10。这样算来，如果结构尺寸大于十个波长时，分析需要的计算网格将非常之多（通常称为电大尺寸问题）。有限元方法（微分方法）尤其如此，因为此方法需要对波的传播空间也需要划分网格。网格太多往往使得计算量太大而被迫放弃。 FEKO采用以矩量法（MOM）为主的积分方法，此类方法只需对计算目标划分网格，波的传播空间可以不划分网格，这样必然减少总体网格数量而使计算成为可能。而且FEKO还可PO/UTD/FMM等近似方法，这些方法将可计算的电尺寸进一步扩大，使得FEKO成为世界唯一可以解决电大尺寸问题的商业电磁分析程序。 在航空航天和大型天线领域，电大尺寸问题一直是非常棘手的问题。尤其机载天线计必时，必须考虑天线间、天线与飞机之间的相互耦合作用，这种典型的电大尺寸问题现在终于被FEKO解决。 . 设计优化软件 基于变分技术的DesignXplorer VT在设计优化领域点起了一把大火，且愈燃愈烈。 DesignXplorer VT是ANSYS公司2001年推出的多目标优化软件，是ANSYS 2000年收购法国参数化技术公司CADOE后，将其技术集成到Workbench之后推出的新模块。 优化算法的研究已经发展成为一项庞杂的领域，目前人们对她仍然热情不减。但无论新算法多么优秀，总是摆脱不了一点：需要进行大量的迭代计算。设计自变量越多，需要的迭代次数越多。对于飞机火箭船舶汽车或者航空发动机这样的复杂产品，设计自变量非常之多，由于需要大量迭代，优化其实已经失去意义。在优化算法的庐山之中，所谓更优秀的算法，也只是量变，没有质变。但DesignXplorer VT跳出庐山，开创一种出人意料的方法：变分技术（VT: Variational Technology），这种技术只需一次计算，就可以到的优化结果。 VT技术深入到CAE程序内核，将CAE矩阵（刚度阵、质量阵等）的各元素改变成设计变量的函数（经典CAE矩阵的元素是数值型的），从而使CAE分析过程函数化，计算结果也自然是设计变量的函数。采用这种算法，只需“一次求解”就可以得到整个设计空间的响应面，通过查询就直接获得最优设计。不论设计变量有多少，这“一次求解”的时间都是普通有限元求解的5倍左右。因此，设计自变量越多，它的优势越明显。 其实，VT技术是一项通用技术，在ANSYS公司的许多软件中都有应用。在其电磁模块EMAG HF中进行S参数求解时需要扫频计算，利用VT只需一次计算即可完成整个频段上百个频点的S参数计算。在Mechanical的非线性迭代计算中，通过历史迭代信息形成下步迭代最佳预测，使得总迭代数最少，大大减少计算时间。当设计变量变更后，重新投入计算的迭代数更少，是ANSYS公司非常得意的技术之一。 6. 结语 曾经有句话说“大鱼吃小鱼”，告诫人们如果不能把自己变大，就可能被吞并。但当今世界的游戏规则变了，变成了“快鱼吃慢鱼”。君不见最近几次CAE行业的大并购，都是典型的“快吃慢”，而非“大吃小”。古老的程序如果不能像ANSYS那样涅磐，则可能会被新型的技术并购或替代，退出历史舞台。但不论怎样，一个软件会不会涅磐，并不影响整个CAE行业的浴火重生，我们庆幸于生长在这样一个新生凤凰振翅疾飞的时代！(end)

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