經(jīng)典CAE軟件為了維持兼容性，不得不長期拖著沉重的包袱。雖然占有了市場，但應(yīng)變能力下降，無法滿足用戶不斷變化的需求，猶如古老的戰(zhàn)車，權(quán)威但不善戰(zhàn)。而今，無論是非線性、動(dòng)力學(xué)、流體、電磁還是優(yōu)化，各個(gè)領(lǐng)域新型的CAE技術(shù)不斷挑戰(zhàn)著經(jīng)典。整個(gè)CAE行業(yè)仿佛在經(jīng)歷著一場浴火重生的變革，讓現(xiàn)代CAE世界生機(jī)盎然。如果我們注意觀察目前活躍在市場的幾款CAE軟件，將會(huì)真正領(lǐng)略這一變革的精彩。

　　大多數(shù)技術(shù)的增進(jìn)是對已有技術(shù)的改進(jìn)。倘若舊技術(shù)已無法再提升，就必須打破舊思維，設(shè)法以新的架構(gòu)取而代之!這樣的事情在現(xiàn)代CAE界正在發(fā)生!

　　1. 柔體結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件

　　對浴火重生最具發(fā)言權(quán)的軟件應(yīng)屬以非線性和多場耦合技術(shù)著稱的ANSYS軟件。

　　其實(shí)ANSYS是一款具有悠久歷史的CAE軟件，產(chǎn)生于1970年，距現(xiàn)在有36年的歷史。但這個(gè)程序有過一段奇特經(jīng)歷：在上個(gè)世紀(jì)末，ANSYS近三年沒有推出新版本，直到她的用戶幾乎失去耐心。其實(shí)這三年中，ANSYS經(jīng)歷了一場涅磐：她的創(chuàng)始人John Swanson博士領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)花費(fèi)三年的時(shí)間，利用最新編程技術(shù)重新編寫了程序架構(gòu)，讓經(jīng)典的ANSYS借助現(xiàn)代IT技術(shù)的活力而蛻變成一款全新軟件。Workbench的推出向她的忠實(shí)用戶證明，他們沒有白等三年。ANSYS用她一系列卓越的新技術(shù)向耐心的用戶給予了回報(bào)：CAD模型雙向參數(shù)互動(dòng)、裝配關(guān)系智能判斷、接觸單元自動(dòng)建立、獨(dú)特變分技術(shù)、深厚的非線性技術(shù)、先進(jìn)的多場耦合技術(shù)、高性能計(jì)算的率先突破1億自由度、并購程序的快速融合……，太多的領(lǐng)先技術(shù)折射出ANSYS的年輕和健康，重新建立的程序架構(gòu)為ANSYS帶來了許多機(jī)會(huì)!終于在本世紀(jì)初躍居為世界第一大CAE軟件提供商。

　　2. 剛體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件

　　與傳統(tǒng)的剛體動(dòng)力學(xué)軟件相比，RecurDYN輕車快馬，風(fēng)華正茂，極具戰(zhàn)斗力。

　　RecurDYN由韓國FunctionBay公司1997年推出第一個(gè)版本，2002年進(jìn)入中國。相對于70年代產(chǎn)生的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)軟件晚了近20年。但遞歸算法在上世紀(jì)80年代的快速發(fā)展成就了RecurDYN的與眾不同。即使是對傳統(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)軟件充滿感情的用戶，也不得不感嘆于這個(gè)新型軟件的過人之處。

　　當(dāng)RecurDyn的開發(fā)者創(chuàng)新性地采用局部坐標(biāo)系來描述機(jī)構(gòu)部件的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)遞歸算法在機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算中的奇特價(jià)值。在局部坐標(biāo)系中，描述每個(gè)部件的方程非常簡單。以一個(gè)平面問題為例，經(jīng)典軟件采用的全局坐標(biāo)系需要三元二次方程組描述一個(gè)部件，在RecurDYN則只需要一個(gè)一元二次方程即可。而且每個(gè)部件的描述形式完全相同，可以通過遞歸算法求解。研究這個(gè)程序時(shí)，我不得不感嘆：最有價(jià)值的創(chuàng)新方案往往是最簡單的那個(gè)!RecurDYN把局部坐標(biāo)系和遞歸算法相結(jié)合，大大減小了求解問題的規(guī)模，求解速度更快，穩(wěn)定性更高。在求解大規(guī)模、高速和病態(tài)問題方面的性能大大超過了其他同類軟件。

　　另外，RecurDYN在處理柔體的能力方面也強(qiáng)于對手。其他軟件在處理柔體的時(shí)候需要在第三方柔體軟件中先進(jìn)行模態(tài)分析。而RecurDYN只需要網(wǎng)格模型，柔體的計(jì)算可在本地直接進(jìn)行，并不需要第三方柔體軟件的參與。

　　快速接觸算法是RecurDNY的另一大特色。傳統(tǒng)軟件在大型接觸問題面前幾乎束手無策。即使形式上提供了接觸定義功能，但求解器是忠實(shí)的，求解速度之慢，幾乎無人能有興趣等待結(jié)果。而RecurDYN的求解速度是同類程序的幾十甚至上百倍。

　　3. 流體動(dòng)力學(xué)軟件

　　在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)領(lǐng)域?qū)ふ业诙I(lǐng)導(dǎo)者時(shí)，年富力強(qiáng)的CFX軟件進(jìn)入我的視線。

　　CFX軟件產(chǎn)生于上世紀(jì)90年代后期，比第一代CFD軟件新了15年左右，目前只有10年歷史。而最近10年卻正是世界CFD技術(shù)進(jìn)展最快的10年。因此，采用第二代CFD技術(shù)的CFX占盡了優(yōu)勢。由于采用現(xiàn)代編程技術(shù)的新型架構(gòu)，CFX在吸納最新CFD技術(shù)的時(shí)候沒有任何障礙，而第一代CFD軟件在這時(shí)候就顯得負(fù)擔(dān)沉重。在計(jì)算精度、收斂速度和穩(wěn)定性等方面，CFX均有突出的表現(xiàn)。大量測試顯示，CFX的收斂速度比第一代CFD程序快一到兩個(gè)數(shù)量級。在2003年的AIAA會(huì)議上，組織者利用多個(gè)CFD軟件，對DLR-F6翼身組合體和DLR-F6翼身發(fā)動(dòng)機(jī)掛架組合體的一系列攻角狀態(tài)下的氣動(dòng)阻力、升力、俯仰力矩進(jìn)行了計(jì)算，CFX表現(xiàn)出的計(jì)算準(zhǔn)確度優(yōu)于當(dāng)時(shí)參與測試的任何一款CFD軟件，顯示出第二代CFD技術(shù)的優(yōu)勢。

　　4. 電磁仿真軟件

　　在電磁仿真(CEM)領(lǐng)域，同樣存在令人興奮的景象。

　　FEKO軟件作為CEM行業(yè)的一匹黑馬，演繹著新架構(gòu)對舊架構(gòu)的突破。有限元法在70~80年代初的快速發(fā)展，把早期的電磁仿真軟件帶進(jìn)了玻璃屋頂下。矩量法和高頻近似方法在80年代后期的快速發(fā)展，成就了FEKO軟件的成功。

　　FEKO由南非EMSS公司于1995年推出第一個(gè)版本，2001年進(jìn)入中國。比同類軟件晚了近20年，但現(xiàn)在已經(jīng)成為CEM軟件中最令人刮目的一個(gè)。

　　為說明FEKO的獨(dú)特之處，需要提及電磁計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)概念——電尺寸。電尺寸是指結(jié)構(gòu)幾何尺寸與相關(guān)電磁波波長的比值。計(jì)算電磁學(xué)要求，無論對目標(biāo)物還是電磁波的傳播空間(如空氣)，單元邊長不得大于波長的1/10。這樣算來，如果結(jié)構(gòu)尺寸大于十個(gè)波長時(shí)，分析需要的計(jì)算網(wǎng)格將非常之多(通常稱為電大尺寸問題)。有限元方法(微分方法)尤其如此，因?yàn)榇朔椒ㄐ枰獙Σǖ膫鞑タ臻g也需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格。網(wǎng)格太多往往使得計(jì)算量太大而被迫放棄。

　　FEKO采用以矩量法(MOM)為主的積分方法，此類方法只需對計(jì)算目標(biāo)劃分網(wǎng)格，波的傳播空間可以不劃分網(wǎng)格，這樣必然減少總體網(wǎng)格數(shù)量而使計(jì)算成為可能。而且FEKO還可PO/UTD/FMM等近似方法，這些方法將可計(jì)算的電尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大，使得FEKO成為世界唯一可以解決電大尺寸問題的商業(yè)電磁分析程序。

　　在航空航天和大型天線領(lǐng)域，電大尺寸問題一直是非常棘手的問題。尤其機(jī)載天線計(jì)必時(shí)，必須考慮天線間、天線與飛機(jī)之間的相互耦合作用，這種典型的電大尺寸問題現(xiàn)在終于被FEKO解決。

　　5. 設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件

　　基于變分技術(shù)的DesignXplorer VT在設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域點(diǎn)起了一把大火，且愈燃愈烈。

　　DesignXplorer VT是ANSYS公司2001年推出的多目標(biāo)優(yōu)化軟件，是ANSYS 2000年收購法國參數(shù)化技術(shù)公司CADOE后，將其技術(shù)集成到Workbench之后推出的新模塊。

　　優(yōu)化算法的研究已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)龐雜的領(lǐng)域，目前人們對她仍然熱情不減。但無論新算法多么優(yōu)秀，總是擺脫不了一點(diǎn)：需要進(jìn)行大量的迭代計(jì)算。設(shè)計(jì)自變量越多，需要的迭代次數(shù)越多。對于飛機(jī)火箭船舶汽車或者航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的復(fù)雜產(chǎn)品，設(shè)計(jì)自變量非常之多，由于需要大量迭代，優(yōu)化其實(shí)已經(jīng)失去意義。在優(yōu)化算法的廬山之中，所謂更優(yōu)秀的算法，也只是量變，沒有質(zhì)變。但DesignXplorer VT跳出廬山，開創(chuàng)一種出人意料的方法：變分技術(shù)(VT: Variational Technology)，這種技術(shù)只需一次計(jì)算，就可以到的優(yōu)化結(jié)果。

　　VT技術(shù)深入到CAE程序內(nèi)核，將CAE矩陣(剛度陣、質(zhì)量陣等)的各元素改變成設(shè)計(jì)變量的函數(shù)(經(jīng)典CAE矩陣的元素是數(shù)值型的)，從而使CAE分析過程函數(shù)化，計(jì)算結(jié)果也自然是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。采用這種算法，只需“一次求解”就可以得到整個(gè)設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面，通過查詢就直接獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)。不論設(shè)計(jì)變量有多少，這“一次求解”的時(shí)間都是普通有限元求解的5倍左右。因此，設(shè)計(jì)自變量越多，它的優(yōu)勢越明顯。

　　其實(shí)，VT技術(shù)是一項(xiàng)通用技術(shù)，在ANSYS公司的許多軟件中都有應(yīng)用。在其電磁模塊EMAG HF中進(jìn)行S參數(shù)求解時(shí)需要掃頻計(jì)算，利用VT只需一次計(jì)算即可完成整個(gè)頻段上百個(gè)頻點(diǎn)的S參數(shù)計(jì)算。在Mechanical的非線性迭代計(jì)算中，通過歷史迭代信息形成下步迭代最佳預(yù)測，使得總迭代數(shù)最少，大大減少計(jì)算時(shí)間。當(dāng)設(shè)計(jì)變量變更后，重新投入計(jì)算的迭代數(shù)更少，是ANSYS公司非常得意的技術(shù)之一。

　　6. 結(jié)語

　　曾經(jīng)有句話說“大魚吃小魚”，告誡人們?nèi)绻荒馨炎约鹤兇螅涂赡鼙煌滩ⅰ５?dāng)今世界的游戲規(guī)則變了，變成了“快魚吃慢魚”。君不見最近幾次CAE行業(yè)的大并購，都是典型的“快吃慢”，而非“大吃小”。古老的程序如果不能像ANSYS那樣涅磐，則可能會(huì)被新型的技術(shù)并購或替代，退出歷史舞臺。但不論怎樣，一個(gè)軟件會(huì)不會(huì)涅磐，并不影響整個(gè)CAE行業(yè)的浴火重生，我們慶幸于生長在這樣一個(gè)新生鳳凰振翅疾飛的時(shí)代!