世界CAE行业综述

1、世界CAE行业综述目 录一. CAE的定义4二. CAE软件的分类42.1 MCAE类：42.2 CFD类：42.3 CEM类：4三. 世界CAE领域的主要竞争者53.1 ANSYS公司53.2 MCAE领域53.3 CFD领域53.4 CEM领域53.5 其他公司53.6 主流CAE软件一览表6四. ANSYS公司64.1 核心技术体系7 MCAE体系71. Mechanical模块72. LS-DYNA模块83. Motion模块84. Fe-safe模块8 CFD体系81. CFX模块82. CART3D模块8 CEM体系81. EMAG模块92. FEKO模块94.2 ANSYS协同仿

2、真环境9 CAD技术与数据的协同9 CAE技术与数据的协同10 CAD与CAE的协同104.3 ANSYS公司的优势特征11 ANSYS总体优势121. 仿真类型全面122. 多场耦合仿真123. 协同仿真环境124. 研发全过程仿真125. 高效并行计算13 细节技术优势131. 双向参数互动142. 自动探测装配143. “死网格”再生术144. 解读仿真模型155. 变分优化技术156. 顶级网格雕塑15五. MSC.Software公司165.1 核心产品171. MSC.Nastran172. MSC.Marc173. MSC.Dytran174. MSC.ADAMS185. MSC

3、.Fatigue186. MSC.Patran187. MSC.Enterprise Mvision185.2 与ANSYS的比较18 MSC的优势181. 行业市场182. 机构运动学183. 线性动力学194. 工程材料库19 ANSYS的优势191. 总体优势192. 行业市场193. 动力学与非线性的集成194. 显式动力学205. 复合材料计算206. 疲劳计算20六. Fluent公司206.1 核心产品21 前处理21 求解器21 专用软件226.2 与ANSYS CFD的比较22 FLUENT的优势221. 行业市场222. 物理模型23 ANSYS CFD的优势231. 总体

4、优势232. 行业市场233. 网格前处理234. 数值方法235. 收敛性能236. 并行能力237. 物理模型248. 流固耦合24七. ANSOFT公司247.1 核心产品241. HFSS242. Designer243. Nexxim257.2 与ANSYS的比较25 Ansoft的优势251. 行业市场252. HFSS253. Designer26 ANSYS的优势261. 总体优势262. 行业市场263. 电大尺寸问题分析能力264. 天线分析与设计265. 天线布局分析276. 电磁隐身分析（RCS）277. EMC/EMI27八. 总结278.1 CAE产品竞争系数278

5、.2 结论28一. CAE的定义计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE) 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行仿真，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。二. CAE软件的分类结合自然界的四大类场位移场、温度场、流场、电磁场的分析需求，根据研究对象的物理属性，CAE可以分为三大类：2.1 MCAE类：以机械分析为核心的MCAE（Mechanical Comp

6、uter Aided Engineering）类，如ANSYS公司的Mechanical、LS-DYNA、Motion、Fe-Safe软件，MSC公司的Nastran、Dytran、ADAMS、Fatigue软件，ABAQUS公司的ABAQUS软件等；2.2 CFD类：以计算流体动力学为核心的CFD（Computational Fluid Dynamics）类，如ANSYS公司出品的CFX软件，Fluent公司的Fluent软件，CD Adapco公司的STAR-CD软件等；2.3 CEM类：以计算电磁学为核心的CEM（Computational ElectroMagnetics）类，如ANS

7、YS公司出品的EMAG/FEKO软件，Ansoft公司的HFSS软件，CST公司的Microwave Studio软件等；三. 世界CAE领域的主要竞争者3.1 ANSYS公司世界第一大CAE软件提供商，提供MCAE/CFD/CEM领域的单场分析技术，这些单场分析技术之间还可以形成多物理场耦合分析机制。在MCAE、CFD、CEM领域与其他公司形成全面竞争势态。3.2 MCAE领域n MSC公司：世界第二大CAE软件提供商，主要提供初级、中级到高级全面MCAE技术。MCAE领域最重要的竞争者之一。n ABAQUS公司：MCAE技术的重要竞争者之一，提供中级MCAE技术。n EDS公司：提供中级M

8、CAE技术和ESC（电子系统散热，CFD类）分析技术3.3 CFD领域n Fluent公司：世界CFD三大巨头之一，提供高级流体动力学分析技术。n CD Adapco公司：世界CFD三大巨头之一，提供高级流体动力学分析技术。注：另外一大CFD巨头是原出品CFX软件的ATE公司，先被ANSYS收购。n CFDRC公司：CFD领域的重要竞争者之一，提供中级CFD技术。3.4 CEM领域n Ansoft公司：世界知名的CEM技术提供商。主要提供基于有限元法的高频分析产品、信号完整性分析产品以及机电系统分析产品n CST公司：世界知名的CEM技术提供商。主要提供基于有限元法的电磁分析软件。3.5 其他

9、公司n Algor公司：提供初级机械、静磁及流体分析技术；n Adina公司：提供初级机械及流体分析技术；n PTC公司：提供初级机械分析技术；n SRAC公司：提供初级机械分析技术。3.6 主流CAE软件一览表总结上文所述可形成CAE产品一览表如下：表一 主流CAE产品一览表公司重要模块MCAECFDCEMANSYSMechanical, LS-DYNA, Motion, Fe-safeCFX, CART3DEMAG, FEKOMCAEMSCNastran, Marc, Dytran, ADAMS, FatigueN/AN/AABAQUSABAQUS,SafeN/AN/AEDSNX Nast

10、ran,I-DEAS NX ESCN/ACFDFluentN/AFluentN/ACD AdapcoN/AStar-CDN/ACFDRCN/ACFD-ACE, FastranN/ACEMAnsoftN/AN/AHFSSCSTN/AN/AMicrowave Studio 其他AlgorAlgorMultiphysicsMEMSADINAADINAADINA-FN/APTCPro/MechanicalN/AN/ASRACCosmosN/AN/A四. ANSYS公司本文最方便的表述方式应该是找到一个CAE行业标准作为基准，所有的软件与技术与此标准对比可给读者形成客观认识。但不幸的是，目前CAE行业中

11、类似的标准尚不存在。其实从上面的材料中我们已经看到，在此行业中，ANSYS公司是一家最有代表性的公司。无论从软件产品销售业绩，还是从世界市场占有率；无论从CAE技术的完整性和先进度，还是从最真实反映公司经营状况的股市业绩来看，该公司显然在CAE行业中的占据领导地位，该公司在各方面的指标其实已经成为CAE行业事实上的行业标准。因此为了表述方便，只好拿此公司作为众矢之的，在对所有公司及技术进行评价时，通常以ANSYS公司及技术作为参照物。美国ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡，在对CAE技术要求最为苛刻的核工业为行业背景下发展起来，并很快将其技术拓展到在世界各行各业，

12、在航空、航天、船舶、汽车、电子行业方面的拓展尤为突出。公司致力于CAE技术的研究和发展，专注于工程仿真解决方案。根据企业分析机构 Daratech公司的数据，该公司在软件开发方面的投入是销售收入的20%，属行业首位。ANSYS公司是第一家通过ISO9001及ISO9001:2000版的CAE技术公司， 连续5年被商务周刊评为"Top 100 Growth Companies"，并被工业周刊评为"Technical Leader"，在全球"财富100"中有84个选中ANSYS为其CAE解决方案。在2000年以前，ANSYS公司主要提供以

13、机械分析（MCAE）为主的多物理场分析CAE解决方案。1999年ANSYS公司收购了以网格雕塑技术著称的ICEM CFD公司，标志着ANSYS公司开始利用自己成熟的技术体系、管理体系和财务基础，向CAE更宽和更深层面发展。2002年收购了世界CFD三大巨头之一的ATE公司的CFX业务，使其成功完成了向CFD领域的扩展。1998年至今在CEM（计算电磁学）的深入开发，随着基于矩量法和高频方法的混合计算程序FEKO的推出，终结了在CEM领域一直困扰工程人员的电大尺寸问题，使得CEM领域又增加了一位强有力的竞争者。ANSYS公司于1996年在中国开办第一家办事处，目前发展为北京、上海、广州、成都四个

14、办事处。在国内拥有1200多家用户。4.1 核心技术体系ANSYS核心体系包括三个方面：以结构/热力学为核心的MCAE体系、以计算流体动力学为核心的CFD体系、以计算电磁学为核心的CEM体系。4.1.1 MCAE体系ANSYS的MCAE体系由四部分构成：1. Mechanical模块此模块进行中慢速力学现象的非线性/动力学分析及热分析，如刚强度分析（如机械安装、结构承载等）、振动分析（如模态分析、随即振动响应等问题）及热力耦合分析等。此模块不但非线性分析和振动分析能力比较强大，而且动力学与非线性的集成性是其另外一个重要的特征，即，非线性分析和动力学分析在同一个界面和相同数据库中完成，这一点在具

15、有非线性现象的动力学问题中显得尤为重要。2. LS-DYNA模块此模块进行快速力学现象的非线性/动力学分析及热分析，比如碰撞穿甲、爆炸问题。LS-DYNA是目前世界上所有类似程序的技术及理论鼻祖。3. Motion模块此模块进行机构运动学分析，此模块较其他运动学软件推出较晚，所以采用的计算方法较新，计算速度快，用户界面也比较现代。4. Fe-safe模块此模块用于进行高级疲劳分析。疲劳问题由于在理论上未能很好的解决，所以所有的计算程序都不能得到很好的结果。对于疲劳寿命，通常的结算结果在实验结果的0.110倍之间属正常。此模块由于功能细致，考虑目前理论上认为影响疲劳寿命的所有因素，所以计算结果通

16、常在实验结果的0.33倍之间。4.1.2 CFD体系ANSYS的CFD体系由两部分构成：1. CFX模块此模块是世界CFD领域三大巨头之一，于2003年初被ANSYS收购。此模块采用的流体算法较新，在精度、速度和稳定性方面都较突出。2. CART3D模块此模块是来自NASA的飞行器预研设计的权威气动分析工具。此模块最大的特点是：模型准备和计算速度均比较快，很符合预研分析要求。4.1.3 CEM体系CEM电磁数值分析方法有两大类，一类是有限元法，另一类是矩量法。不同的方法适用于不同的分析类型。ANSYS CEM体系根据分析目标的特点，由两部分构成：1. EMAG模块基于有限元法的高低频电磁场分析

17、工具，适合于求解多种材料、模型细节较多但电尺寸较小的问题，通常闭域问题属于此类，如电机、电解槽等低频设备以及波导、谐振腔等高频电子器件。2. FEKO模块基于矩量法的高频电磁场分析工具，适合于求解材料单一、模型细节较少的问题，但电尺寸可以很大。通常开域问题属于此类，如辐射问题（如天线）和散射问题（如隐身）。4.2 ANSYS协同仿真环境ANSYS除了提供全面和强大的核心分析技术外，在分析环境方面也提出创新性的方案ANSYS协同仿真环境Workbench。多种CAE核心技术的存在为企业增加了选择余地，对仿真工作全面性、可靠性大有裨益，因此，在大型企业进行CAE规划时应该是保留甚至加大这种多样性。

18、仿真软件的百家争鸣是一把双刃剑。这把双刃剑不利的一面是仿真技术及数据的混乱，降低仿真工作效率。所以进行CAE规划中应该考虑解决这一问题，使企业内的仿真技术及数据得到完美整合。ANSYS对此提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。在这个环境中工作的人始终面对同一个环境，而不是在各种设计与分析程序和界面之间切换。所有的设计技术与分析技术只是这个环境的后台技术。所有与仿真工作相关的人、技术、数据通过这个统一的环境协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。4.2.1 CAD技术与数据的协同CAD软件是以设计为目的的技术，但现代CAE技术可以直接使用CAD软件设计的

19、模型进行仿真分析。因此，将CAD软件纳入CAE方案中规划具有合理性。目前在国内比较流行的CAD软件主要有CATIA, Unigraphic, Pro/Engineer, SolidWorks, SolidEdge, MDT, Inventor等。设计数据的协同需求是现代企业设计工作方式的必然需求。对于大中型现代企业，即使在企业内部，使用多种CAD程序也是很正常的。对于飞机、汽车、机车、船舶这样的大型设计单位，负责不同部件设计的设计组使用的CAD程序有可能不同，但进行整机分析的时候又必须将这些设计模型整合在一起。因此，ANSYS协同仿真环境提供了解决这样几个问题的方案：1) 能直接读入各种CAD

20、软件的零部件及整机模型；2) 能在统一环境中从不同CAD系统先后读入不同零部件模型；3) 能将这些零部件实现再次装配，以便于为CAE分析提供完整的几何模型；4) 能保留这些零部件在原始CAD系统的设计参数，以便于在仿真时进行优化。4.2.2 CAE技术与数据的协同对于具有多类核心仿真技术的企业，分析技术与数据的协同应该是这个仿真环境的核心目的。ANSYS协同仿真环境提供了解决这样几个问题的方案：1) 建立CAE网格的技术足够强大，能快速地将设计数据转变成CAE网格。这是一个基本需求。2) 建立的网格形态优秀，满足各类CAE软件对网格形态的要求。3) 建立的网格可以直接生成各种仿真核心程序需要的

21、文件格式，以便在该环境中可以直接调用核心程序进行期望的分析。4) 能直接接受各种仿真软件生成的网格，这是协同需要的另一个基本需求。5) 具有快速解读复杂CAE模型的能力。一个复杂的仿真模型可能蕴含大量信息，即使使用同一个程序，当你打开别人的复杂模型时也会一片茫然。如果没有合适工具，全凭自己对程序的理解来了解这些信息可能会花费大量的时间。6) 具有“死网格”的再生能力。在优化设计时我们通常需要经过“修改CAD模型-重新计算”的多次循环。没有几何模型、只有网格时称为“死网格”，因为你不能从这些网格入手修改设计。当你接受来自别人的网格时，得到“死网格”的可能性非常之大。“死网格”除了存档之外没有其它

22、价值。协同仿真环境应该能使死网格再生。也就是说，应该有一种工具允许用户将“死网格”参数化，可以像CAD那样随意修改网格模型，否则协同的价值将大打折扣。4.2.3 CAD与CAE的协同设计数字化（CAD设计）和试验数字化（CAE仿真）是产品研发数字化工程中不可分割的两个方面，二者需要完美协同。此协同不只是简单的CAE读取CAD模型进行分析，而是CAD和CAE之间有参数互动的能力：1) CAD的参数化模型进入ANSYS协同仿真环境时，这些参数可完整保留；2) 在用户修改CAD模型的某些参数后，协同仿真环境只需经过刷新操作即可修改模型的参数，此环境中的网格和载荷设置应该完整保留，可直接求解；3) 协

23、同仿真环境中进行分析优化之后，确定了最优的设计参数，在CAD中也只需刷新操作即可将协同仿真环境中的参数读取回来直接修改CAD环境中的模型，而不需要重新设计模型或手工修改设计参数。现代CAE技术的繁荣昌盛为用户带来宽广选择余地的同时也带来了产品仿真的协同需求。各种CAE程序单打独斗的时代即将过去，这些程序之间的合作将是今后CAE发展的主要方向。现在CAE世界期待一个可以整合所有CAE技术资源和数据的协同仿真环境。ANSYS Workbench作为世界唯一一款协同仿真平台，将ANSYS公司的所有CAE技术有机组织整合，形成一个将所有与仿真工作相关的人、技术及数据纳入其中的统一平台，旨在搭建基于网络

24、的仿真工作统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作，打破了目前各家CAE技术在企业信息孤立的局面，允许这些技术和数据在此平台上整合、共享和通讯，对经典的CAE分析观念形成巨大冲击。协同是现代产品设计流程发展的必然需求。时下流行的PDM满足了产品的协同设计需求，Workbench满足了产品协同仿真需求。在中国航空、航天、船舶这样的高科技行业，企业或研究所通常会拥有多种商业CAE程序甚至自主开发的一些小型CAE软件，协同仿真环境将为他们整合仿真技术提供极大方便。4.3 ANSYS公司的优势特征ANSYS公司的技术与其他CAE公

25、司的技术的对比关系总体来说是这样的：ANSYS公司在整个技术体系优于其他CAE公司，但在某些局部上其他公司的产品有优于ANSYS的方面。本文在后面的章节将论述其他公司的技术及与ANSYS的比较。但为了节省文字，本章先将ANSYS技术优于其他所有CAE公司的技术的给予完整阐述，后面的文字着重于其他CAE软件与ANSYS软件的局部比较上。4.3.1 ANSYS总体优势1. 仿真类型全面ANSYS满足自然界的四大场位移场、温度场、流场、电磁场的分析需求，具有MCAE/CFD/CEM单场分析能力，而且每一部分的分析能力都较强大，是ANSYS的三大技术支柱。2. 多场耦合仿真CAE技术涵盖了计算结构力学

26、、计算流体力学、计算电磁学等诸多学科专业，而象飞机、船舶等大型工业产品的设计对这几个学科专业都有强烈的耦合场分析需求。一般的CAE软件通常都只能解决某个学科的问题，用户需要配置一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件组合起来以解决其实际工程问题。这不但增加了用户投资，而且很多耦合场问题会由于不同软件间不能有效准确地传递数据而无法真正实现耦合仿真计算。能否真正完成全面耦合场分析，已经成为现代CAE软件所追求的目标。ANSYS软件作为融结构、电磁、热、流体分析技术于一身的仿真系统，不但拥有为业界认可的单场分析模块，而且由于出自同一家公司的模块，数据传输不存在瓶颈，各场之间可以自由耦合分析。由

27、于其他公司通常只提供每个单场程序，所以多场耦合无从谈起。许多CAE公司曾经试图与互补领域的公司在项目中联合形成耦合解决方案（如MSC和Fluent公司的流固耦合方案），但不同公司的软件产品在数据库方面的巨大差异决定了这种联合所能解决的问题相当有限。3. 协同仿真环境ANSYS符合现代CAE世界的协同趋势，提供整合多类CAE技术及数据的协同平台协同仿真环境Workbench。其他CAE公司提供的技术以孤立核心技术为主，没有产品与ANSYS协同仿真环境的相对应。MSC公司提出VPD（Virtual Product Design）的概念，但仅停留在概念级别，没有具体的产品相对应，只是将其CAE、PL

28、M产品统统归纳为VPD的组件，缺乏有机的组织与管理，各产品之间实际上仍处于孤立零散状态。4. 研发全过程仿真现代CAE软件开发商众多，推出在不同研发阶段使用的CAE软件。有些软件专门适用于研发前期校验，提供初级的、最常用的功能，面向设计工程师。有些软件适合于设计后期虚拟样机仿真，提供完善的功能、全面的用户可控制性，面向专职分析工程师和分析专家。也有适合于某专业或行业的专用软件，提供专用化的菜单界面和功能，提高分析效率。这三个层面的CAE软件繁多，尤其前期设计阶段的CAE校验工具不下几十种，使用户具有旷阔的选择余地。现在需要解决的一个问题是CAE校验工具的“技术攀升撞墙”问题。许多公司提供设计前

29、期CAE校验工具但不提供设计后期虚拟样机仿真系统，在设计公司发现目前的工具不满足分析需求，希望扩展分析能力（也就是说，需要“技术攀升”）时，只能到另一家CAE提供商那里购买适用于设计后期虚拟样机仿真的CAE系统。这样同一个研发过程不同阶段所采用的软件之间数据格式不同，通常不能兼容。也就是说，进行了前期校验的仿真模型在后期的虚拟样机仿真不能继续使用，而需要重新建模。ANSYS公司不仅提供的这些不同层次的软件，而且这些软件皆基于统一的底层技术，是一个产品线上的不同层次的模块，数据的良好兼容得到保证，实现前端分析工具向后端分析工具在技术平顺攀升。这种攀升技术除了ANSYS公司之外，处理得较好的公司是

30、MSC.Software公司。该公司在MCAE领域提供这三个层面的所有技术。只是公司提供的前期设计校验工具和后期虚拟样机仿真系统不是同一个产品线的不同模块，界面和数据库皆不相同，在一定程度上阻碍了这种技术攀升的平滑性。当然，由于不能提供CFD和CEM的求解技术，这种攀升只是在MCAE领域进行。5. 高效并行计算在硬件支持方面，ANSYS不但在基于Intel-Windows架构的微机、基于RISC-UNIX架构的工作站、巨型向量计算机上都能够正常工作，而且还提供统一的用户交互界面、统一的软件功能、统一的数据库以及网络浮动运行能力。现在，ANSYS软件超越了计算机平台的概念，可在MPP群机系统、S

31、MP及其构成的星群系统、局域网连接的工作站/PC机群、不同机型及操作系统的混合网络上并行计算。ANSYS并行计算的常见实例有：大型飞机的整机气动计算、整机结构模态分析、整机超大规模电大尺寸高频电磁计算等等。并行计算技术是现代所有CAE软件提供商追求的目标，但从并行效率上讲都不理想。尤其现代计算机硬件技术的发展速度并不亚于软件技术的发展，即便是像ANSYS这样处于国际领先地位的软件仍然有较大发展空间。4.3.2 细节技术优势ANSYS除了提供上述优势之外，还提供其它软件所不具备的细节技术，比如双向参数互动、自动探测装配、变分优化设计、“死网格”再生术、解读仿真模型、顶级网格雕塑等技术。1. 双向

32、参数互动CAE软件必须可以直接使用CAD生成的模型已经成为业界共识。目前，其他CAE软件一直在延续使用“模型数据单向传递”方式。为了满足现代并行设计、快速设计的要求，ANSYS引入“双向参数互动”技术。双向参数互动是指：CAD模型传到CAE软件后，CAE软件继承CAD模型的原有参数；CAD修改模型参数之后，CAE软件只需刷新即可得到来自CAD模型的新参数，从而更新模型，但CAE软件中的网格和载荷设置不发生变化，可直接求解；CAE软件可直接根据分析结果对设计参数直接进行必要的修改，或利用优化设计功能得到最优设计参数后，在CAD中只需刷新操作便更新模型。ANSYS使用CAD模型时，是在ANSYS环

33、境中建立CAD模型的“链接”或“映射”，本质上讲是与CAD系统资源共用，使用同一个CAD模型，因而不存在其他CAE软件的CAD接口经常发生的“丢失信息”的现象，而“双向参数互动”在此模式下则成为自然而然的事情。2. 自动探测装配现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析，而且这种分析可以是复杂的接触问题（在CAD中称为“装配”）。利用仿真手段可以对具有大量零部件的虚拟样机整机进行虚拟试验。但是由于零部件的装配在CAE中需要进行“接触”分析，而接触分析需要建立接触单元。此过程在其他CAE软件中采用手工方式完成，一个虚拟整机的建立所需要的时间令人不可接受。因此，CAE软件的自动探测装配关系的能力

34、决定了能否进行虚拟样机性能仿真，是我们真正发挥CAE软件优势的关键技术之一。ANSYS公司提供的CAD模型“链接”技术，在建立装配模型“链接”的过程中，自动探测装配关系，同时完成“接触”单元的建立，无需人工干预。3. “死网格”再生术在优化设计时我们通常需要经过“修改CAD模型-重新计算”的多次循环。没有几何模型、只有网格时称为“死网格”，因为你不能从这些网格入手修改设计。当你在外协过程中接受来自别人的网格时，得到“死网格”的可能性非常之大。“死网格”除了存档之外没有其它价值。ANSYS提供的ParaMesh模块能使死网格再生。该工具允许用户将“死网格”参数化，可以像CAD那样随意修改网格模型

35、。这种技术对于飞机或船舶大型复杂设计需要大量外协的设计部门来说意义巨大。其实，“死网格”再生术就是ANSYS协同仿真环境中CAE资源整合技术之一。4. 解读仿真模型在中国航空、航天、船舶行业，企业或研究所通常会拥有多种商业CAE程序，与别人的协同工作是日常工作的一部分。协同工作过程中，经常需要从别人那里得到某个软件生成的CAE模型。一个复杂的CAE模型可能蕴含大量信息，当你打开别人的复杂模型时会一片茫然。人工解读这些信息可能会花费大量的时间，ANSYS协同仿真环境可以快速解读CAE模型，快速提取复杂仿真模型中的有用信息，形成CAE信息关键词列表和解读报告，可以图示关键词对应的模型。仿真模型解读

36、技术是ANSYS协同仿真环境中CAE资源整合的另一重要技术。5. 变分优化技术CAE分析的最终目的是对设计提出满足工作要求的修改意见。大多数CAE软件都提供优化设计功能以满足这样的需求。程序自动根据分析结果和设计要求、在特定的优化算法的帮助下自动修正设计，经过多次循环而获得优化的设计结果。这种技术称为实验设计（DOE）技术。通常CAE软件的优化模块都采用DOE技术。基于DOE技术的经典优化方法的共同特点是需要对模型进行大量的迭代计算。设计自变量越多，需要的迭代次数越多。对于飞机或船舶整机这样的大型问题，设计自变量非常之多，这种经典优化设计方法由于需要大量迭代，其实就已经失去了优化的意义。ANS

37、YS软件除了提供基于DOE技术的优化技术外，还提供一种称为变分技术的优化方法。这种技术深入到CAE程序内核，在矩阵生成层次利用变分技术、网格随移等高级技术，将CAE矩阵参数化，从而使CAE分析过程参数化。采用这种优化方法，只需一次求解就可以得到整个设计空间的响应结果，并且快速获得最优设计。不论设计自变量有多少，这样一次求解时间都只是普通有限元一次求解的35倍。因此，设计自变量越多，它的优势越明显。6. 顶级网格雕塑ANSYS ICEM堪称世界网格雕塑技术泰斗，提供了强大的网格剖分能力。CFD分析技术对网格的要求非常苛刻，没有优秀的网格划分工具，对复杂模型创建优质的网格是艰巨的工作，而当今世界主

38、流CFD软件的用户皆使用ICEM作为网格剖分工具。ICEM在网格剖分方面提出“雕塑”的概念：任意复杂的几何体总可以在区域上划分为多个块体（block）的组合。使用者只需对块体划分网格，然后投射到复杂表面上。所有的网格形态在没划分之前就确定，而不像其他软件采用的“堆砌法”，网格在没“堆砌”完成之前无法确定网格形态。ICEM不但提供了强大的网格“雕塑”能力，而且可以读写世界所有知名CAE/CFD/CEM软件的网格格式。航空、航天、船舶行业的企业和研究所通常拥有多种CAE/CFD/CEM，ICEM技术为这类企业提供了统一的网格解决方案，省去使用者在多种软件之间切换的苦恼。五. MSC.Softwar

39、e公司MSC.Software公司1963年成立，开发名为SADSAM(Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods)的结构分析软件，1965年SADSAM更名为MSC/Nastran。MSC.Software公司除了开发、销售仿真软件和支持服务外，还提供了广泛的咨询服务。该公司的产品包括线性和非线性分析、运动学仿真和制造过程技术。另外，该公司还提供MSC.Linux的操作系统业务。根据企业分析机构 Daratech公司的数据，该公司在软件开发方面的投入是销售收入的15%。在2000年之前，MSC.Software公司与

40、ANSYS公司的业务较为相似，无论是在软件产品销售业绩、世界市场占有率，还是CAE技术涉及的范围和先进度来看都是如此。这一点从两家公司的股市业绩得到了真实的反映。图1. ANSYS和MSC的股票比较2000年以后的几年中，两家公司发生了较大变化。最明显的变化是：MSC.Software向更快宽范围的业务发展，而不是专注于CAE技术。随着2001年7月对Advanced Enterprise Solutions公司的并购，MSC公司成为了信息系统和软件的集成者，为各工业领域的企业销售生命周期管理解决方案（PLM Solutions）。同时还发展了MSC.Linux操作系统业务。该公司的咨询业务也

41、是一项重要的收入来源。2003年对MDI公司的收购是唯一还证明该公司对CAE还保留一定的投入的证据。与之形成明显对照的是ANSYS公司在CAE技术上的专注。ANSYS公司的所有业务的拓展都围绕仿真业务展开。比如对ICEM CFD、CFX的收购、对CAE优化技术公司CADOE的收购，对高频电磁程序的深入开发，都无不反映了这一点。MSC.Software的这种业务扩展的初衷相当好，宽范围的业务模式可以提高公司的安全性和抗击大能力。不过可惜的是事与愿违。2001年9.11事件是对世界各行各业企业抗击打能力的一次考验。9.11事件之后MSC的股票下降了1/2多，直到现在任徘徊不前。而ANSYS经过暂短

42、的下降之后，反倒攀升到原来的2倍多，并一直保持到现在。两家公司的股市业绩真实地记录了这种变化(图1)。MSC.Software于1993年在国内开办第一家办事处，现有北京、上海、深圳、成都四家办事处。5.1 核心产品总体来讲，MSC.software公司的CAE核心产品主要集中在MCAE领域。该公司以MSC.visualNastran命名并宣传自己的产品，把其产品体系分为： MSC.visualNastran Enterprise, MSC.visualNastran Professiona，MSC.visualNastran Desktop和MSC.e-visualNastran。 MSC.

43、visualNastran Enterprise系列保括： MSC.Nastran，MSC.Patran，MSC.Marc，MSC.Dytran，MSC.ADAMS及 MSC.Enterprise Mvision。1. MSC.NastranMSC.Nastran是一个分析与优化程序，用于分析结构或机械零件的应力、振动和热传递特性。这个软件提供了各种刚强度及振动分析。该程序最显著的特点是其线性动力计算能力。对应ANSYS公司的Mechanical模块的线性动力分析功能。2. MSC.MarcMSC.Marc是一个通用的有限元分析程序，用于高度非线性、准静态和热应力分析，可求解从简单的线性静力问

44、题到复杂的非线性接触、屈曲、动力学热分、析和热机耦合问题。该模块最显著的特点是非线性求解能力。对应ANSYS公司的Mechanical模块的非线性分析功能。3. MSC.DytranMSC.Dytran 是一个模拟固体、结构和流体高速响应的通用三维程序，它也可模拟复杂的非线性分析问题，如材料流动和流体结构耦合。MSC.Dytran主要用来解决汽车、制造和造船业的各种问题。该程序的目的是模拟和分析高度非线性、短时间内发生的事件，包括流体与结构的相互作用或者包含结构材料极度变形的问题。对应于ANSYS的LS-DYNA模块。4. MSC.ADAMS是一款历史悠久的机构运动学分析软件。 运动学分析能力

45、强大、全面。由于历史比较悠久，所以存在效率不高、界面老旧的负面反映。对应于ANSYS的Motion模块。5. MSC.Fatigue建立在CAE技术基础上的耐久性和损伤容限分析。对应于ANSYS的Fe-safe模块。6. MSC.PatranMSC.Patran 是MSC.Nastran的前后处理器。 应用程序模块可以加入到MSC.Patran的内核软件中，从而进行普通应力、热机械和动力、流体、固体模拟和疲劳分析。7. MSC.Enterprise Mvision是一个客户机服务器软件，将MSC.Mvision数据管理技术和基于网络的存取相结合，通过笔记本电脑或PC以及电话线连接就可以给用户提

46、供各种各样来自世界各地的工程信息。5.2 与ANSYS的比较仅就MCAE的分析功能而言，ANSYS与MSC双方互有所长，但这种相互的优势都不很明显。因此，在MCAE领域，二者能力相当。在CFD和CEM领域，MCS没有解决方案。5.2.1 MSC的优势1. 行业市场由于MSC公司基于航空航天的行业背景发展起来，所以收入来源主要集中在在航空航天和汽车市场，并占有一定市场优势。该行业用户已经习惯于该软件的使用而不愿意改用其它公司的软件，其他欲进入该行业的公司需要较大投入。所以公司在此市场长期保持稳定收入而较少遇到挑战。但公司过分依赖这种优势已经导致一种病态，这也大概是该公司在这几年业绩滑坡的主要原因

47、之一。ANSYS公司则显得比较健康，该公司在各行各业的销售收入皆保持在本公司总收入的20%以内。2. 机构运动学ADAMS是一款历史悠久的机构运动学分析软件。较ANSYS公司的运动学分析软件Motion分析能力相对强大，也比较全面。ANSYS的Motion模块较ADAMS推出较晚，所以功能不够全面。但采用的计算方法较新，计算速度快，用户界面也比较现代。3. 线性动力学虽然ANSYS/Mechanical的结构分析的整体能力比Nastran强，但就线性振动分析而言，MSC.Nastran的分析能力比ANSYS/Mechanical略强，比如Nastran的模态综合法发展较早，从使用的功能完整性和

48、使用方便性上优于ANSYS/Mechanical。4. 工程材料库MSC.Enterprise Mvision是一款较全面的工程材料数据库，ANSYS公司尚无产品与之对应。5.2.2 ANSYS的优势1. 总体优势ANSYS公司在总体上对MSC的优势参见4.3节。2. 行业市场ANSYS在各行业的销售额保持在20%内较MSC公司而言，ANSYS公司在行业分布是显得比较健康，该公司在各行各业的销售收入皆保持在本公司总收入的20%以内。但主要收入来自航空航天、汽车、机械、电子、造船、土木工程等行业。可能正是这种健康性和ANSYS公司在CAE方面的专注性使其获得了成功，在近四年的财务状况比较好。3.

49、 动力学与非线性的集成ANSYS的Mechanical模块等同于MSC.Software的Nastan及Marc的集合。Marc程序是MSC收购的软件，核心技术一直未能与Nastran融合，所以，在非线性与动力学方面的集成性上缺陷严重。通常来说，结构分析中的非线性和动力学问题并存，线性动力分析在Nastran中进行，需要完成非线性分析时又不得不转换到具有完全不同的界面和数据库的Marc软件中完成。而ANSYS的Mechanical动力学和非线性分析能力在同一个界面下工作，数据库也完全统一，所以在使用方面更方便一些。4. 显式动力学MSC.Dytran和ANSYS LS-DYNA都是显式动力学分

50、析程序，Dytran是另外的一批人员在ANSYS LS-DYNA 1987年的公开代码上发展而成。由于对初始架构的不理解，导致在程序功能拓展方面很不顺利，致使此程序功能不完善，效率较低。目前已经被迫停止开发。5. 复合材料计算ANSYS公司提供的复合材料计算功能在大量的工程计算中得到良好验证。复合材料在计算过程中需要考虑单层材料破坏、层间粘接的剪切破坏以及破坏之后应力的重新分配。ANSYS对受载结构从小变形、大变形、屈曲乃至破坏的全过程跟踪预测的结果非常精确，而MSC.Nastran的许多用户反映Nastran的计算结果通常会高于实际结果，有时甚至得不到非线性屈曲现象，对设计的指导意义较小。6

51、. 疲劳计算MSC.Fatigue和ANSYS Fe-safe模块皆是疲劳计算模块。疲劳问题由于在理论上未能很好的解决，所以所有的计算程序都不能得到很好的结果。对于疲劳寿命，通常的结算结果在实验结果的0.110倍之间属正常，MSC.Fatigure便属于此类情况。Fe-safe模块由于功能细致，考虑目前理论上认为影响疲劳寿命的所有因素，所以计算结果通常在实验结果的0.33倍之间。六. Fluent公司FLUENT是世界主要的商业CFD软件及服务供应商之一。提供通用CFD软件连及其CFD咨询业务。FLUENT公司成立于1983年，前身为Creare Inc.。FLUENT第一个版本于1983年1

52、0月发布，随着业务的成功和发展，1988年FLUENT集团在Creare成立了一个独立公司，总部在Lebanon, New Hampshire。1995年8月，Fluent Inc.被位于拉哥尼亚的Aavid Thermal Technologies, Inc，New Hampshire-based公司收购。这家公司专门致力于电子系统的热控制。1996年1月Aavid股票在美国上市。1996年5月FLUENT收购了Fluid Dynamics International。1997年FLUENT收购Polyflow S.A.，该软件主要用于层流分析。2000年1月Aavid Thermal Te

53、chnologies与Willis Stein 及其合伙人拥有的私人投资公司合并。FLUENT的客户分布在诸如汽车、航天、化学和材料处理、发电、生物医学、通风空调火灾以及电子等行业。6.1 核心产品FLUENT公司核心产品包括前处理产品：GAMBIT，G/Turbo, TGrid；求解器：FLUENT6，Flowizard，FIDAP，POLYFLOW；专用软件：ICEPAK，AIRPAK， MixSim。6.1.1 前处理包括GAMBIT，G/Turbo，TGrid1GAMBIT通用建模和网格生成工具FLUENT自行开发的中级几何建模和网格划分工具。有ACIS、STEP、IGES格式的文件导

54、入接口，有简洁的实体建模工具和简单的布尔运算功能。对相对简单的几何模型，能通过将几何体分解来形成结构化六面体网格；同时，GAMBIT可以创建三角形面网格和四面体体网格。2G/Turbo CFD前处理G/Turbo是面向旋转机械应用的快速生成网格的工具。使用叶型截面基本设计定义，及少量的用户输入，可以生成轴流、径流和混流旋转机械网格。G/Turbo提供非结构化网格划分，功能包括：n 叶片和流动生成；n 拓扑分解n 边、面和边界层及体网格生成3TGrid CFD 前处理TGrid进行高级混合体网格生成，利用悬挂节点的六面体，四面体，金字塔和棱柱层（楔型或六面体），2-D三角形和四边形网格划分。6.

55、1.2 求解器包括FLUENT6，Flowizard，FIDAP，POLYFLOW1FLUENT6通用的CFD求解器。基于有限体积法，支持结构化和非结构化等网格类型。包括流动、换热、多相流、化学反应、自由表面、多重参考坐标系、动网格等总多分析功能。2Flowizard：流场分析向导，对于简单的流动问题不需要过多的CFD经验可以完成。FloWizard共享FLUENT 6求解器，提供完全兼容的先进CFD工具。该工具面向偶尔使用CFD的用户和非专家用户。3FIDAP： 基于有限元方法的CFD模块，FIDAP用于聚合物加工过程，薄膜镀层，生物医学，半导体晶体生长，玻璃加工和相关领域。4POLYFLO

56、W：主要分析聚合物加工和玻璃成型，包括挤出模设计，吹塑，纤维纺纱，挤出机等材料处理等过程。6.1.3 专用软件1ICEPAKICEPAK 分析电子冷却的CFD工具。它满足电子工程师和产品设计师面对的日益增加的小型化和大功率散热的需求。2AIRPAKAIRPAK是应用于结构通风系统的设计的模块。能够模拟空气流动、传热、污染物传输和通风系统热舒适性。3MixSim完全交互模拟工具，专门设计用来进行搅拌混合容器的流场模拟。可以给出流动模式和其它诸如化学反应等现象，能够可视化并报告积分结果。6.2 与ANSYS CFD的比较FLUENT 和ANSYS CFD的优势比较可以概括为第一代CFD软件和第二代

57、CFD软件的比较。FLUENT软件是第一代的CFD软件，诞生在上世纪80年代，技术成熟，模型全面。而ANSYS CFD软件则是采用上世纪90年代后期最新的CFD技术，在网格划分、数值精度、收敛稳定性等方面均有突出的表现。6.2.1 FLUENT的优势1. 行业市场由于FLUENT属于第一代的CFD软件，历史悠久，技术成熟。所以FLUENT公司的市场知名度很大，市场份额也较大。FLUENT软件目前在各个行业都有较强的市场基础。但正是因为其固守成熟的第一代CFD技术，不可避免地继承了第一代CFD技术的普遍缺点，即收敛性差，复杂几何模型难以处理。这个缺点也正在影响FLUENT的市场份额。2. 物理模型FLU