假如有人問我是做哪些的,我發覺在涉及到CAE時,我很難用淺顯易懂的語言讓他人一聽便理解。這不是觀眾的問題,應當是我溝通的問題。所以我花了較多的時間重新來思索,寫下下列文字,期望能解開CAE的神秘面紗,讓它平民化。
要想了解CAE,首先我們來看人類認識和探求自然大致有以下幾種形式。
一是觀察,這特別好理解;
二是推演,從已知的東西、按照一定的邏輯方式,推斷未知的世界,也比較好理解;
三是試驗,雖然應當與觀察并為一類,為何我要單列呢?由于試驗比觀察更未能舉辦,須要更多的設計、組織、測量、分析,并用到好多復雜的試驗設備;最后一種方法是估算模擬,并不是所有的東西都可以通過觀察、推演和試驗獲得,例如受制于漫長的數學時間過程、比如宇宙的演進,例如難以在試驗中復制現象發生的化學物理環境、比如核武的爆燃過程。
為何還能舉辦估算模擬呢?由于人類在數千年的知識進化中,對于部份學科,產生了較為完整或嚴格的理論體系,這個理論體系在物理上早已被證明是合理的、正確的。
淺顯地說,對于無論是自然現象還是產品工作過程(其實只是一部份),我們早已發展出了可以用一組多項式精確地描述這個過程,我們若希望了解更多的時間或空間上的細節或結果物理電學實驗軟件,只要設法把多項式解下來即可。
假定我們你們理解了上述內容,就理解了CAE的基礎。
接出來,我們將范圍縮小到產品開發,這兒的產品特質狹義上的實體產品。我們來看CAE處于產品開發中的哪些環節。首先我們來重溫一下產品開發流程。
我們再聚焦于最重要的開發目標—產品性能,圍繞產品性能,大量的不同事科鋪陳展開,幾乎涵蓋了大部份人類文明發展出來的各種理工科學科專業。這是學院教育和社會上專業研制人員分工的基礎。企業設置了各種部門和團隊來承當那些專業性工作。
在產品流程開發中,設計目標例如產品性能,必須通過試驗測試來驗證設計是否達到性能目標。通常來說,要通過多次迭代設計、不斷制造化學樣機、并做試驗來驗證。周期和成本十分高。并且只是知其然、不知其所以然。
倘若我們能在產品設計的數字化樣機(即在計算機上設計出全三維模型)階段,能通過在計算機上做試驗(即計算機仿真,CAE)判定性能是否符合設計要求,那設計迭代大部份工作就只需在計算機上完成,牽連不到化學樣機制造和試驗,也就沒有花費成本和時間的材料訂購、開模、工裝治具、生產制造、裝備、試驗等。等數字化樣機和計算機試驗反復做的差不多,最后再去做少量化學樣機制造和試驗,產品能夠基本定型。
理解了計算機仿真在產品開發中所處的階段后,我們來瞧瞧為何CAE能在計算機上做實驗,是如何實現的?我們以客機設計為例。
你們曉得,客機才能克服重力起飛,要靠客機機體(主要是噴管)以一定速率、角度切割空氣形成升力。我們在計算機上初步設計出一架客機(這架客機有了特定的規格、曲面、結構布局、關鍵空間特點)后,怎樣判別才能這個設計是否滿足這種指標?
以升力和阻力為例。這個問題從學科上歸結于空氣動力學問題,客機以一定速率和角度切割空氣,空氣會在機身繞流,在機身的不同地方會有不同的空氣壓力、速度,以翼型為例,上下表面的壓力差就構成了向下抬高客機的升力??諝饫@流客機的過程,可以由一組偏微分等式可以精確地描述,它叫-多項式,1827年就早已由美國和法國的科學家共同提出來。只要解出這組多項式,客機機身及周邊各個點上的壓力、速度都有了。這組多項式十分復雜,流體熱學專家們這一百多年來主要努力在解這組多項式,仍然在發展各種算法、各類物理和數學模型。辛運的是物理電學實驗軟件,近幾六年人類有了計算機,就可以將復雜的估算通過程序交由計算機來解。
我們不花時間來講怎么解那些多項式的算法和軟件實現,只須要你們明白,在算法理論不斷進步的前提下,是越來越強悍的計算機在人類的指令(程序)出來解這種多項式,越解越快,越解越精細。
實際上這個過程淺顯地說就是在計算機上做吹風試驗,來驗證一種客機設計的空氣動熱學特點是否滿足要求。其實,最后我們還要在真實的風洞中做吹風試驗,但次數已大大降低、時間大大節省、成本大大壓縮,你們曉得嗎?C919小型飛機在德國做風洞試驗,一次要幾千億元人民幣,雖然在目前有計算機仿真的情況下,也要做幾十次、幾百次的試驗,假如沒有計算機仿真呢?代價幾乎是難以想像的。
這么最后我們闡述計算機仿真到底有什么類別?目前處于哪些發展狀態?
通常來說,CAE主要關注產品特點中的具象出的化學性能,例如熱學特點、電學特點、光學特點等。根據被關注的數學特點,通常有那么幾類軟件:
結構剖析軟件:關注硬度、剛度、振動特點
CAE和CAD(計算機輔助設計,淺顯地說就是計算機作圖或數字化樣機設計)、CAM(計算機輔助制造,例如數控車床編程)、CAPP(計算機輔助工藝規劃)等合稱為CAx,是制造業中最為核心的研制價值鏈,也是國外制造業和美國差別的主要領域。
CAx和PDM產品數據管理都歸為一個特定的制造業信息化大領域PLM(產品壽命周期管理)。PLM在全球是一個巨大的產業,2014年全球PLM總產量372億港元,但在中國僅為14.69億美元。隨著中國制造業的產業變革,中國PLM市場的增長空間巨大無比。
從以上剖析可以看出,CAE是一個不折不扣的最低端的高科技領域,也是近四六年來新加坡等國家對中國封鎖最嚴的領域。日本人有一個簡單的邏輯思維:一旦中國人獲得了頂尖的CAE軟件或把握了開發CAE軟件的全部技能,理論上設計任何國防和高科技產品都有了可能。由于CAE幫中國人實現了知其然并知其所以然。
但事實是,中國與發達國家的差別十分大,中國的科學家(例如熱學科學家)、計算技術科學家(算法研究和實現)、計算機圖形等方面不缺頂級大神,中國缺位了體制(非常是科研管理體制、高等教育體制)、文化(非常是創業文化、合作文化)、市場化方面的優勢,同時中國喪失了從上世紀70年代到90年代寶貴的20年、這個20年是發達國家CAE技術急速發展的20年,以及中國制造業過去整體上以仿造、高密度資本、高人力成本、高資源消耗為主要特點,缺乏對原創性研制的追求,CAE自主化的市場應用環境因而并未產生。
但差別也是機遇,希望更多的優秀人才、產業資本才能聚攏到這個領域,那將是一件不但商業上可以創造奇跡、對于整個國家也是形成巨大價值的偉業。
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