CAE蓬勃发展50年

导读：
　　计算机辅助工程（CAE)作为一门新兴的学科已经逐渐的走下神坛，成为了各大企业中设计新产品过程中不可缺少的一环。传统的CAE技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真，验证未来工程/产品的可用性与可靠性。
　　如今，随着企业信息化技术的不断发展，CAE软件与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术，在提高工程/产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期方面都发挥了重要作用。
　　而CAE技术出现则是要归功于有限元分析的诞生，在有限元法诞生的早期，几乎所有的CAE软件都是使用有限元法来进行计算求解。因此，可以说有限元法的发展也间接反映了CAE软件在这半个世纪的发展历史。

　　每一项新技术的推出都是由于时代的迫切需要，而新技术的出现后也需要经历历史的重重考验。在上个世纪40年代，由于航空事业的快速发展，对飞机内部结构设计提出了越来越高的要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算。正是在这一背景下，有限元分析的方法逐渐的发展起来。
　　1956年，M.J.Turner (波音公司工程师)，R.W.Clough (土木工程教授)，H.C.Martin (航空工程教授)及L.J.Topp (波音公司工程师) 等四位共同在航空科技期刊上发表一篇采用有限元技术计算飞机机翼的强度的论文，名为《Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures》，文中把这种解法称为刚性法(Stiffness)，一般认为这是工程学界上有限元法的开端。
　　1960年，Ray W. Clough教授在美国土木工程学会(ASCE)之计算机会议上，发表另一篇名为《The Finite Element in Plane Stress Analysis》的论文，将应用范围扩展到飞机以外之土木工程上，同时有限元法(Finite Element Method)的名称也第一次被正式提出。

FEA技术的探索起源期(1960年-1970年)

　　“有限元法”概念提出后的近10年时间是CAE软件的探索发展期，在这10年中CAE软件的开发主要是依托于国家或大学，分析的对象也主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题。而随着NASTRAN、ANSYS、SAP等软件雏形的推出，把CAE软件推向了广阔的应用范围，给这个新兴的领域添加了重量级的筹码，并吸引了更多的关注目光。

FEA技术的蓬勃发展期(1970年-1990年)

　　进入70年代后，随着有限元理论的趋于成熟，CAE技术也逐渐进入了蓬勃发展的时期，在CAE市场中先后出现了诸多的CAE软件：一方面MSC，ANSYS，SDRC三大老牌CAE公司先后组建，并致力于大型商用CAE软件的研究与开发；另一方面，更多的CAE软件如MARC、ADINA、ABAQUS等一批优秀的软件的出现，为CAE市场的繁荣注入了新鲜血液。

FEA技术的成熟壮大期(1990年至今)

　　上世纪90年代至今是CAE技术的成熟壮大时期，这一时期的CAE领域呈现出了大鱼吃小鱼的市场局面，大的软件公司为了提升自己的分析技术、拓宽自己的应用范围寻找机会收购、并购小的、专业的软件商，各大软件公司大力投入研发使得CAE软件本身的功能得到了极大的提升。而如今的CAE市场是一个群雄割据的年代，据不完全统计全球有超过200种仿真分析的软件在被企业所使用着，昔日的巨头命运也各不相同，更有着无数的新贵崛起进入人们的视野。

　　“有限元法”概念的提出，引出了美国加州大学伯克利分校有限元技术研究小组的最为辉煌的十年历程。

1960--1970 探索起源期
1960年，Ray W. Clough教授发表一篇名为《The Finite Element in Plane Stress Analysis》的论文，并第一次正式提出了有限元法(Finite Element Method)。
1963年，Wilson教授和Clough教授为了教授结构静力与动力分析而开发了SMIS（Symbolic Matrix Interpretive System），其目的是为了弥补在传统手工计算方法和结构分析矩阵法之间的隔阂。
1969年，Wilson教授在第一代程序的基础上开发的第二代线性有限元分析程序就是著名的SAP（Structural analysis program），而非线性程序则为NONSAP。
1963年，Richard MacNeal博士和Robert Schwendler先生联手创办了MSC公司，并开发第一个软件程序，名为SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）即数字仿真模拟法结构分析，是著名的Nastran程序的前身。
1967年，在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab。
1970~1990 蓬勃发展期
1971年，任教于Brown大学的Pedro Marcal创建了MARC公司，并推出了第一个商业非线性有限元程序MARC。
1973年，ESI集团成立于法国巴黎，并在80年代初首先把DYNA的程序商业化，命名为PAM-CRASH。
1975年，在MIT任教的Bathe博士在NONSAP的基础上发表了著名的非线性求解器ADINA (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)。
1977年，Mechanical Dynamics Inc.(MDI)公司成立，致力于发展机械系统仿真软件，其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。
1979年，LMS公司成立于成立比利时鲁文，LMS主要提供包括虚拟仿真软件、试验系统和工程咨询服务等独特的组合方案。
1982年，Structurra1 Research and Analysis Corporation（简称SRAC）成立，1985年SRAC推出了在微机上运行的COSMOS/M，并在1993年推出了快速有限元算法FFEPlus。
1983年，ETA公司成立于美国汽车城底特律，并与LSTC公司联合开发板成形模拟的专用软件DYNAFORM。
1983年，AAC公司成立，推出COMET程序，主要用于噪声及结构噪声优化分析等领域。
1984年，ALGOR公司成立，ALGOR公司在购买SAP5 源程序和 vizicad 图象处理软件后，同年推出 ALGOR FEAS（Finite Element Analysis System）。
1985年，Alatir公司成立，于1989年发布了著名的前后处理软件HyperMesh，并在2000年将其产品整合后发布了HyperWorks。
1986年，SAMTECH公司成立，SAMTECH的软件产品专注于机械系统虚拟仿真、结构有限元分析和多学科优化的软件工具。
1988年，Fluent公司成立，推出的通用CFD软件包FLUENT在CFD领域得到了很高的评价，并且已经成为了CFD领域的工业标准。
1988年，John Hallquist创建LSTC公司，将LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS-DYNA。而由J.O.Hallquist主持开发完成的DYNA程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序的基础代码。
1988年，Flomerics公司成立，提供用于空气流及热传递的分析程序。
1990~2010 成熟壮大期
1992年，NUMECA国际公司在布鲁塞尔自由大学流体力学系主任查尔斯-赫思（Charles HIRSCH)教授的倡导下成立。其核心软件是在该系80~90 年代为欧洲宇航局(ESA)编写的CFD软件EURANUS的基础之上发展起来的。
进入90年后，CAE领域呈现出了大鱼吃小鱼的市场局面，大的软件公司为了提升自己的分析技术、拓宽自己的应用范围寻找机会收购、并购小的、专业的软件商，因此CAE软件本身的功能得到了极大的提升。
21世纪后，早期的三大软件商MSC、ANSYS、SDRC的命运各不相同：
SDRC被EDS收购后与UGS进行了重组，其产品I-DEAS已经逐渐的淡出了人们的视线；
MSC自从Nastran被反垄断拆分后一蹶不振，2009年7月被风投公司STG收购，前途至今还不明朗；
ANSYS收购了Fluent、CFX、Ansoft等众多知名厂商后，逐渐的塑造了一个体系规模庞大、产品线极为丰富的仿真平台。
另外，ABAQUS、Altair HyperWorks、LMS、COMSOL、SolidWorks simulation等CAE软件也逐渐的发展壮大起来。

　　国内CAE技术研究、开发和应用可以说是几起几落，走着一条十分艰难的发展之路。早在上世纪60年代我国数学家冯康给出了有限元法的数学证明，几乎和国外同步；但因当时的条件所限，有限元理论在国内的发展逐渐与国外水平拉开了差距。

60年代

我国数学家冯康给出了有限元法的数学证明，我国的老一辈计算科学家较早地将计算机应用于土木、建筑和机械工程领域。

钱令希教授提出了”结构力学中的最优化设计理论与方法”大连理工大学研制出了JEFIX有限元软件，航空工业部研制了HAJIF系列程序。

70年代

80年代

我国自主CAE软件涌现出一批代表，有SAP-84、FEM、BDP-建筑工程设计软件包、FEPS、SEFEM、YIDOYU等。

大批国外CAE软件涌入国内市场，国内自主研发CAE软件受到强烈打压，逐渐的拉开了与国外CAE软件的距离。

90年代

21世纪

国内自主知识产权CAE软件逐渐市场化，FEPG、紫瑞CAE、Adopt.Smart、KMAS、华铸CAE等新的一批国内自主研发的CAE软件逐渐崭露头角。

　　虽然国内CAE自主研发之路历经艰辛，但是广大专家学者用锲而不舍的战斗精神顽强地生存下来。尤其是在近几年，数字化产品设计的概念逐渐深入人心，国内高校技术研究和应用水平不断提高，有限元技术已经为广大企业所认可。随着国家对发展自主CAE平台已经愈发重视，国内CAE的研究已经逐渐走出低迷状态，获得了一定的发展，而且值得注意的是，有限元技术不再仅仅停留在高校中，而是更多的走向了企业。同时，更多使用方便、操作简单的专用分析软件也得到了广泛应用。

　　ANSYS公司在近年先后收购了在流体仿真领域的Fluent
CFX，电路和电磁仿真领域的Ansoft，并且通过整合，逐渐塑造一个体系规模庞大、产品线极为丰富的CAE软件体系。

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　　CAE技术经过近50年的洗礼已经逐渐成熟，而对于CAE技术的用户与CAE软件提供商而言，依然需要面对诸多的实际问题和挑战。而CAE技术在近几年的发展趋势已经逐渐明朗：软件的的操作趋于简单化，企业中的应用趋于平台化，仿真流程的规范化，CAD/CAE软件的设计分析一体化以及高性能计算的发展。

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