在數(shù)字化工程變革的浪潮中，計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）扮演著至關(guān)重要的角色。從制造業(yè)到航天工業(yè)，再到醫(yī)療健康領(lǐng)域，CAE的應(yīng)用正推動(dòng)著各行各業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。同時(shí)，不同國家和地區(qū)的法規(guī)差異也對(duì)CAE技術(shù)的實(shí)施和發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

一、CAE的設(shè)計(jì)流程

計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 工具的設(shè)計(jì)過程涉及幾個(gè)關(guān)鍵階段，以確保產(chǎn)品的性能、成本和可靠性得到優(yōu)化。最初，該過程從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）開始，在此創(chuàng)建產(chǎn)品的物理幾何形狀。

接下來是預(yù)處理，通過定義材料、邊界條件和負(fù)載來準(zhǔn)備模型以進(jìn)行分析。

CAE 的核心涉及各種類型的模擬，例如有限元分析 ( FEA )、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) ( CFD ) 和多體動(dòng)力學(xué) ( MBD )。

通過分析應(yīng)力、熱傳遞、流體流動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這些模擬使工程師能夠預(yù)測(cè)產(chǎn)品在不同條件下的表現(xiàn)。

后處理包括檢查模擬結(jié)果以改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，Autodesk Fusion和Siemens Simcenter提供了將 CAD 與全面的 CAE 功能相結(jié)合的集成平臺(tái)。支持虛擬原型設(shè)計(jì)并減少對(duì)物理測(cè)試的需求。

這種集成有助于加快產(chǎn)品開發(fā)周期——通過及早發(fā)現(xiàn)和糾正潛在問題，可以降低成本并提高產(chǎn)品性能。

二、CAE在不同行業(yè)中的應(yīng)用

1. 制造業(yè)：

計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE）將先進(jìn)的模擬、優(yōu)化和驗(yàn)證技術(shù)集成到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，從而徹底改變了制造業(yè)。

有限元分析 ( FEA ) 和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) ( CFD )等 CAE 應(yīng)用程序使制造商無需進(jìn)行大量的物理原型設(shè)計(jì)即可預(yù)測(cè)和提高真實(shí)條件下的產(chǎn)品性能。

例如，在汽車行業(yè)，寶馬等公司使用 CAE 進(jìn)行數(shù)字碰撞測(cè)試，從而減少與物理測(cè)試相關(guān)的成本和時(shí)間。

此外，機(jī)器人焊接和CNC加工等制造工藝也可以從 CAE 中受益，因?yàn)樗梢詢?yōu)化操作并提高材料利用率。

Autodesk Fusion和PTC 的 Creo等工具提供全面的 CAE 功能，支持從初始設(shè)計(jì)到最終制造的所有過程，從而簡(jiǎn)化工作流程并提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。

2. 航天工業(yè)：

MSC 軟件以其著名的 MSC Nastran 代碼為先導(dǎo)，該代碼源自 NASA 為阿波羅太空計(jì)劃開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析工具。自1971 年商業(yè)發(fā)布以來，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

到2003 年，NASA 認(rèn)為 MSC Nastran 的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)高達(dá)100 億美元。凸顯了其在推動(dòng)有限元分析 (FEA) 和計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 發(fā)展方面的關(guān)鍵作用。

如今，MSC 的工具繼續(xù)在航天工業(yè)模擬領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，從月球著陸器的動(dòng)力學(xué)到用于外星探索的新型機(jī)器人車輛。

哈爾濱大學(xué)和麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的最新研究凸顯了 MSC 在實(shí)現(xiàn)立方體衛(wèi)星和能夠在崎嶇行星地形上導(dǎo)航的機(jī)器人著陸器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

隨著商業(yè)對(duì)太空的興趣日益濃厚，并受到月球基地、小行星采礦和火星殖民等項(xiàng)目的推動(dòng)，MSC 的 CAE 解決方案對(duì)于概念化和完善未來太空技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施仍然不可或缺。

3.醫(yī)療健康行業(yè)：

計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 在醫(yī)療保健行業(yè)具有變革性的應(yīng)用，提高了各種醫(yī)療過程的精度和效率。

CAE 廣泛應(yīng)用于個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備（如假肢和植入物）的設(shè)計(jì)和制造，這些設(shè)備可根據(jù)個(gè)體患者的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制，以實(shí)現(xiàn)更好的貼合度和功能。

術(shù)前手術(shù)規(guī)劃也受益于 CAE，它允許外科醫(yī)生模擬和規(guī)劃復(fù)雜的手術(shù)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)并改善結(jié)果。

此外，CAE 技術(shù)促進(jìn)了復(fù)雜組織工程解決方案的開發(fā)，從而能夠創(chuàng)建支持再生醫(yī)學(xué)工作的仿生組織支架。

這些技術(shù)還通過改善醫(yī)療數(shù)據(jù)的可視化和提取來協(xié)助醫(yī)療診斷和管理，從而幫助醫(yī)生做出更準(zhǔn)確的治療決策。

例如，Clinials等初創(chuàng)公司使用 AI 驅(qū)動(dòng)的 CAE 工具來優(yōu)化臨床試驗(yàn)招募。同時(shí)，Varico等公司利用這些技術(shù)針對(duì)男性不育等特定疾病制定個(gè)性化治療方案。

4.電子行業(yè)：

計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE)通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中實(shí)現(xiàn)精確的模擬和優(yōu)化，正在徹底改變電子行業(yè)。

CAE 的應(yīng)用包括有限元分析 ( FEA )、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) ( CFD ) 和電磁模擬，這些對(duì)于印刷電路板 ( PCB ) 和集成電路 ( IC )的復(fù)雜設(shè)計(jì)過程至關(guān)重要。

例如，Altair SimSolid是一種尖端工具，可為復(fù)雜電子系統(tǒng)提供快速、準(zhǔn)確的多物理模擬，大大減少了網(wǎng)格劃分和幾何簡(jiǎn)化所需的時(shí)間和精力。

另一個(gè)例子是Ansys與NVIDIA的合作，旨在通過加速計(jì)算和AI提升仿真能力，促進(jìn)6G和自動(dòng)駕駛汽車等下一代技術(shù)的發(fā)展。

CAE 工具的這些進(jìn)步可幫助工程師在設(shè)計(jì)過程的早期預(yù)測(cè)和解決潛在問題，從而生產(chǎn)出更高效、可靠且具有成本效益的電子產(chǎn)品。

5. 化工行業(yè)：

計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 正在通過提高各種流程的效率和準(zhǔn)確性徹底改變化學(xué)工業(yè)。

模擬軟件、數(shù)字孿生和 AI 驅(qū)動(dòng)建模等 CAE 工具使化學(xué)工程師能夠高精度地設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化復(fù)雜的化學(xué)工藝。例如，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和模擬化工廠，有助于預(yù)測(cè)性維護(hù)和工藝優(yōu)化。

Ansys與NVIDIA合作，利用 AI 和加速計(jì)算提升仿真軟件的功能，從而顯著改善新化學(xué)工藝和材料的設(shè)計(jì)和測(cè)試。

此外， Tree-Tower等初創(chuàng)公司正在利用 CAE 通過虛擬測(cè)試和快速原型制作實(shí)現(xiàn)智能化學(xué)制造。

這些進(jìn)步不僅降低了成本、提高了安全性，而且還通過最大限度地減少化學(xué)制造過程中的浪費(fèi)和能源消耗來支持可持續(xù)實(shí)踐。

CAE規(guī)章統(tǒng)計(jì)

各國的計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 法規(guī)存在很大差異，反映了不同的標(biāo)準(zhǔn)、合規(guī)要求和行業(yè)需求。

在美國，CAE 實(shí)踐受到嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和政府法規(guī)的約束。特別是在航空航天、汽車和國防等精確性和安全性至關(guān)重要的領(lǐng)域。

在歐洲，法規(guī)通常與歐盟關(guān)于數(shù)字工程和仿真的指令保持一致。德國、英國和法國等國家在采用先進(jìn)的 CAE 技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，以保持在汽車和航空航天行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

尤其是德國，其要求在其蓬勃發(fā)展的汽車行業(yè)中對(duì) CAE 應(yīng)用進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證流程。

在亞太地區(qū)，中國和日本等國家在 CAE 應(yīng)用方面取得了快速增長(zhǎng)。這得益于政府為提高制造能力和技術(shù)進(jìn)步而采取的舉措。

中國的監(jiān)管環(huán)境側(cè)重于將 CAE 融入工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用，以支持其不斷擴(kuò)張的制造業(yè)。而日本的監(jiān)管框架則強(qiáng)調(diào)精密工程和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

這些地區(qū)法規(guī)的差異影響著 CAE 技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施，從而影響全球市場(chǎng)動(dòng)態(tài)和競(jìng)爭(zhēng)策略。

顯然，CAE的未來包括與人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)一步融合，這將增強(qiáng)模擬工具的預(yù)測(cè)能力。此外，基于云的解決方案預(yù)計(jì)將會(huì)增長(zhǎng)，為各種規(guī)模的企業(yè)提供更易于訪問和可擴(kuò)展的選項(xiàng)。這些進(jìn)步將進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程、降低成本并改善產(chǎn)品創(chuàng)新。