王　嵩

2006年2月，世界上最大的客機(jī)，空中客車的巨無霸A380爆出了未能通過靜力試驗(yàn)的消息，A380的機(jī)翼在達(dá)到145％限制載荷時(shí)發(fā)生斷裂，而按照要求，機(jī)翼必須要能夠承受150％的限制載荷。雖然空客宣稱問題并不是致命的，但一次試驗(yàn)卻讓麻煩不斷的A380雪上加霜。

在產(chǎn)品研發(fā)過程中，試驗(yàn)總是不可缺少的環(huán)節(jié)，工程師的構(gòu)想和創(chuàng)意最終都要通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)。然而試驗(yàn)卻是成本最高昂的環(huán)節(jié)之一，以A380為例，一次靜力試驗(yàn)就要把一架完好的飛機(jī)加載到破壞。更嚴(yán)重的是，設(shè)計(jì)階段的問題如果在試驗(yàn)中才暴露出來，改進(jìn)就太遲了，在市場(chǎng)高度競(jìng)爭(zhēng)的今天，延長(zhǎng)產(chǎn)品研發(fā)周期無異于自殺。

那么，有什么辦法減少試驗(yàn)?zāi)?那就是虛擬試驗(yàn)。

萌芽

科學(xué)和技術(shù)的概念出現(xiàn)時(shí)間并不長(zhǎng)，虛擬試驗(yàn)更是只有幾十年的事情。在最早的歷史上，幾乎一切創(chuàng)造都依賴于匠人的手藝，這是一種純經(jīng)驗(yàn)的積累，知識(shí)體系是散亂的，沒有系統(tǒng)的總結(jié)。直到三百多年前，牛頓發(fā)現(xiàn)三大運(yùn)動(dòng)定律，第一次系統(tǒng)地定量描述了宇宙萬物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這次發(fā)現(xiàn)還有一個(gè)具有劃時(shí)代意義的副產(chǎn)品，那就是微積分的發(fā)明。微積分為描述客觀世界提供了強(qiáng)有力的武器，直到今天，大學(xué)教材上基本的物理定律還是用微積分方程書寫的。近代科學(xué)就這樣誕生了。

科學(xué)被用于工程實(shí)踐就是技術(shù)，這時(shí)候工程師對(duì)設(shè)計(jì)的東西可以進(jìn)行定量分析了。當(dāng)然，這并不是一件容易的事情。雖然在科學(xué)家的眼里，已知的世界就是一些微分方程的組合，但在工程師看來，解這些方程卻無比困難，甚至是不可能的，因?yàn)檎鎸?shí)的產(chǎn)品復(fù)雜多變，根本沒有一個(gè)數(shù)學(xué)家能夠根據(jù)幾個(gè)微分方程就把產(chǎn)品的使用情況解算出來。

這樣，在設(shè)計(jì)分析的時(shí)候，工程師就不得不對(duì)實(shí)際情況做出很多假定，把產(chǎn)品簡(jiǎn)化到不能再簡(jiǎn)化的地步。當(dāng)然，這樣得到的分析結(jié)果是相當(dāng)粗糙的，虛擬試驗(yàn)也就無從談起。

提高精度的辦法是有的，那就是盡量減少假定。實(shí)際上，在物理規(guī)律已知的情況下，科學(xué)家和工程師確實(shí)發(fā)明了很多方法來分析實(shí)際的工程問題，例如有限元法，有限體積法等，這些方法最后都?xì)w結(jié)為解一大堆多元一次方程。

然而，解方程并不是一個(gè)容易的事情，實(shí)際工程問題的未知數(shù)動(dòng)輒成千上萬，靠人力基本上無力完成。如果有些問題非要解決不可，那就只有不惜代價(jià)，就像我國(guó)設(shè)計(jì)原子彈時(shí)用很多人敲算盤一樣。

還好，計(jì)算機(jī)時(shí)代到來了。計(jì)算機(jī)最擅長(zhǎng)處理大量枯燥的數(shù)據(jù)運(yùn)算，美國(guó)開發(fā)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的目的就是為其“曼哈頓計(jì)劃”服務(wù)。計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，首先被用于科學(xué)計(jì)算。上個(gè)世紀(jì)五六十年代，由于航空工業(yè)的推動(dòng)，出現(xiàn)了早期的結(jié)構(gòu)分析程序。此后，各國(guó)看中了計(jì)算機(jī)的潛力，紛紛加大投入研究，計(jì)算固體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的理論開始成熟，出現(xiàn)了一大批通用的分析程序。上世紀(jì)七八十年代，這些分析程序不斷完善發(fā)展，出現(xiàn)了商業(yè)化的分析軟件，也就是這個(gè)時(shí)候，計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE，Coml)uter AidedEngmeermg)的概念出現(xiàn)了。

制造業(yè)的變革

CAE技術(shù)的出現(xiàn)引起了制造業(yè)的一場(chǎng)革命。通過CAE技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的工程問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可以不通過試驗(yàn)就觀察到產(chǎn)品的工作情況和性能，不僅節(jié)約成本，而且縮短開發(fā)周期。今天，CAE技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)用化，成為產(chǎn)品開發(fā)過程中必不可少的一道環(huán)節(jié)，應(yīng)用范圍從航空航天、汽車等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎一切領(lǐng)域。CAE技術(shù)可以模擬的物理現(xiàn)象也越來越豐富，從最初的結(jié)構(gòu)變形到流體的運(yùn)動(dòng)、電磁場(chǎng)，溫度和熱，甚至是飛機(jī)的墜毀，都可以進(jìn)行模擬。例如對(duì)飛鳥撞擊灣流公務(wù)機(jī)機(jī)翼進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，模擬的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，很快解決了結(jié)構(gòu)災(zāi)難性破壞的問題。

CAE技術(shù)發(fā)展到今天，主要是作為虛擬試驗(yàn)手段對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析，判斷是否符合設(shè)計(jì)意圖。但是，CAE技術(shù)不滿足于此，它已經(jīng)超越了單純的虛擬試驗(yàn)功能，進(jìn)而為人們提供更為合理的設(shè)計(jì)方案——這就是在CAE基礎(chǔ)上發(fā)展起來的優(yōu)化技術(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常是基于經(jīng)驗(yàn)的，參照已有的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于認(rèn)識(shí)的局限性，選擇的方案通常都不是最優(yōu)的方案，不管設(shè)計(jì)水平多高，最后的結(jié)果要么是不滿足要求，要么是付出代價(jià)太大，而優(yōu)化技術(shù)恰恰幫人們解決這一矛盾。優(yōu)化技術(shù)正在掀起制造業(yè)的又一場(chǎng)革命。A380的機(jī)翼前緣肋經(jīng)過優(yōu)化之后，強(qiáng)度沒有降低，重量卻減少了43％，這已經(jīng)成為航空工業(yè)的里程碑。

試驗(yàn)的終結(jié)?

CAE技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，似乎已經(jīng)盡善盡美了。那么，它會(huì)不會(huì)完全取代試驗(yàn)?zāi)?

答案當(dāng)然是否定的，這有幾方面的原因。首先，人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)沒有到無所不知的地步，相反，人類還很無知。而任何的計(jì)算機(jī)模擬方法都需要人類對(duì)客觀規(guī)律的充分認(rèn)知，實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，其次，工程中有許多因素是無法預(yù)料的，也是無法通過計(jì)算機(jī)來模擬的，這些都要通過試驗(yàn)來確定。

然而，CAE技術(shù)卻可以最大限度地減少重復(fù)性的試驗(yàn)，最大限度地降低成本和提高效率。它和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)一道，構(gòu)成了制造業(yè)信息化的核心。制造業(yè)的信息化，是深深影響我們每一個(gè)人的變革。

相關(guān)鏈接：

常見CAD／CAE軟件簡(jiǎn)介

●AutoCAD

AuloCAD是眾所周知的CAD軟件，它提供很強(qiáng)的功能，如多視圖、網(wǎng)絡(luò)支持、文件保存、二次開發(fā)、線型幫助、尺寸特征和繪圖優(yōu)化等，其版本也不斷升級(jí)更新。它是PC機(jī)CAD市場(chǎng)的領(lǐng)先者。

●CATIA

CATIA軟件是美國(guó)IBM公司和法國(guó)著名飛機(jī)制造公司達(dá)索公司共同推出的新一代工業(yè)先進(jìn)水平的CAD／CAE／CAM軟件。該軟件在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在航空和汽車工業(yè)中。最典型的用戶當(dāng)屬波音飛機(jī)公司和美國(guó)克萊斯勒汽車公司。波音777飛機(jī)就是依賴于CATIA軟件而成為第一架100％的數(shù)字化設(shè)計(jì)的飛機(jī)。

●Pro／ENGINEER

美國(guó)參數(shù)科技公司的Pro／Engineer是一套機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。它能將整個(gè)設(shè)計(jì)至生產(chǎn)制造過程集成在一起。Pro／E軟件的長(zhǎng)處及獨(dú)特的地方表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是它的參數(shù)化特征化定義實(shí)體造型的功能，從而給工程師們提供設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)易和靈活性；另一方面是其獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供在工程上的完全相關(guān)性，即在產(chǎn)品開發(fā)過程中任何一個(gè)地方的更改都會(huì)得到其他相關(guān)地方的相應(yīng)自動(dòng)修改。

●UG

UG軟件起源于美國(guó)麥道飛機(jī)公司，以CAD／CAE／CAM一體化而著稱，可以支持目前市場(chǎng)上銷售的不同廠家的所有工作站平臺(tái)。UG軟件使用戶可以享受到美國(guó)工業(yè)的心臟和靈魂——航空航天及汽車工業(yè)的專門經(jīng)驗(yàn)，它有較強(qiáng)的模具設(shè)計(jì)和制造功能。集設(shè)計(jì)、工程及制造系統(tǒng)于一體的uG軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、通用機(jī)械及模具等領(lǐng)域。在1995年世界一級(jí)方程式賽車大獎(jiǎng)賽中，舒馬赫駕駛用UG軟件設(shè)計(jì)的賽車，為貝納通車隊(duì)一舉奪得了總冠軍。