cae CAE工程师到底是个什么岗位？

如果有人问我做什么，我发现别人很难用通俗易懂的语言理解CAE。不是观众的问题，是我的沟通问题。所以我花了更多的时间来反思和写下面的文字，希望能解开CAE的奥秘，让它平民化。

要理解CAE，首先我们来看以下人类认识和探索自然的方式。

首先是观察，这是非常可以理解的；

第二种是演绎法，从已知的事物出发，按照一定的逻辑方法去推测未知的世界，更好理解；

第三是实验，应该和观察一样。为什么要单独列出？因为测试比观察更难进行，需要更多的设计、组织、测量和分析，使用大量复杂的测试设备；最后一种方法是计算模拟。不是一切都可以通过观察、演绎、实验得到，比如受制于漫长的物理时间过程，比如宇宙的演化，比如实验中无法复制现象的物理化学环境，比如核弹的爆炸过程。

为什么可以进行计算模拟？因为在几千年的知识进化中，人类对某些学科形成了相对完整或严格的理论体系，在数学上被证明是合理正确的。

总的来说，我们发展了一套方程来准确描述这个过程，无论是自然现象还是产品工作过程。如果我们想在时间上或者空上知道更多的细节或者结果，我们只需要试着解方程。

假设以上我们都懂了，就明白CAE的基础了。

接下来我们把范围缩小到产品开发，这里的产品特性是狭义的物理产品。我们来看看CAE在产品开发中的地位。首先，让我们回顾一下产品开发过程。

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

我们专注于最重要的发展目标——产品性能，围绕产品性能展开了大量不同的学科，几乎包括了人类文明发展的各类科学与工程学科。这是大学教育和R&D社会专业人员分工的基础。企业成立了各个部门和团队来承担这些专业任务。

在产品过程开发中，必须对产品性能等设计目标进行测试，以验证设计是否达到了性能目标。一般来说，要通过反复迭代设计，不断制造物理原型和实验来验证。周期时间和成本都很高。只知道为什么，不知道为什么。

如果我们能够在产品设计的数字化样机阶段，通过计算机测试(计算机模拟，CAE)来判断性能是否满足设计要求，那么大部分设计迭代工作只需要在计算机上完成，不涉及物理样机的制造和测试，不存在成本和耗时的材料采购、开模、工装、制造、设备、测试等。在数字样机和计算机测试几乎重复完成后，再制造和测试几个物理样机，产品就可以基本定型了。

了解了产品开发中计算机仿真的阶段后，我们来看看为什么CAE可以在计算机上做实验，以及如何实现。我们以飞机设计为例。

众所周知，飞机在能够克服重力起飞时，是依靠机体(主要是机翼)以一定的速度和角度切断空空气来产生升力的。我们在电脑上初步设计了一架飞机(这架飞机有特定的尺寸、曲面、结构布局、键空特征)后，如何判断这种设计是否能满足这些指标？

举升力和阻力为例。这个问题归因于空空气动力学。当飞机以一定的速度和角度切割空空气时，空空气会绕机身流动，机身不同部位会有不同的空气压和速度。以机翼为例，上下表面的压差构成了飞机的升力。空空气流动飞机的过程可以用一组称为纳维尔-斯托克方程的偏微分方程来精确描述，该方程是由法国和英国科学家于1827年提出的。只要解出这组方程，就可以得到机身及其周围点上的压力和速度。这套方程非常复杂，流体力学专家们为了求解这套方程已经努力了100多年，一直在开发各种算法，各种数学和物理模型。幸运的是，近几十年来，在计算机的帮助下，人们可以通过程序将复杂的计算交给计算机。

我们不花时间讨论如何求解这些方程，以及如何在软件中实现它们。我们只需要明白，在算法理论不断完善的前提下，越来越多功能强大的计算机正在人类指令(程序)下求解这些方程。

这个过程其实就是在电脑上做一个吹气试验，验证一架飞机设计空的气动特性是否满足要求。当然最后还是要在真实风洞里做吹风试验，但是次数大大减少了，时间大大节省了，成本也大大降低了。你知道吗？C919大型客机在荷兰的风洞试验，每次花费几千万人民币。即使目前有计算机模拟，也需要几十次测试，几百次测试。没有计算机模拟怎么办？成本几乎无法想象。

那么，最后，计算机模拟的范畴有哪些？目前发展状况如何？

一般来说，CAE侧重于产品特性中抽象出来的物理特性，如机械性能、电气性能、光学性能等。根据相关的物理特性，通常有几种类型的软件:

结构分析软件:注意强度、刚度和振动特性

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、CAD(计算机辅助设计，通俗地说，计算机绘图或数字样机设计)、CAM(计算机辅助制造，如数控机床编程)、CAPP(计算机辅助工艺规划)等。被统称为CAx，是R&D制造业的核心价值链，也是国内制造业与国外差距的主要领域。

CAx和PDM产品数据管理被归类为一个特定的制造信息领域PLM(产品生命周期管理)。PLM是世界上一个巨大的行业。2014年全球PLM总产值为372亿美元，而中国仅为14.69亿美元。随着中国制造业的产业转型，中国PLM市场的增长是巨大的空。

从以上分析可以看出，CAE是一个不折不扣的高科技领域，也是近40年来美国等国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尖的CAE软件或者掌握了开发CAE软件的所有技能，理论上就可以设计任何国防和高科技产品。因为CAE帮助中国人认识到知道为什么和为什么。

但事实是，中国和发达国家差距很大。中国科学家(如力学科学家)、计算技术科学家(算法研究与实现)、计算机图形学等。不缺顶尖专家。中国缺乏体制(尤其是科研管理体制、高等教育体制)、文化(尤其是创业文化、合作文化)、市场化的优势。与此同时，中国也失去了从70年代到90年代这宝贵的20年，这是CAE技术在发达国家快速发展的时期。过去中国制造业作为一个整体，具有模仿性、高资本密度、高劳动力成本、高资源消耗的特点，缺乏对原创研发的追求，因此CAE自主的市场应用环境尚未形成。

但是，差距也是机遇。我希望更多的人才和产业资本可以聚集在这个领域，这不仅会在商业上创造奇迹，而且会给整个国家带来巨大的价值。

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