本节书摘来自异步社区《ANSYS 14热力学/电磁学/耦合场分析自学手册》一书中的第1章，第1.1节,作者： 胡仁喜 , 张秀辉 更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。
第 1 章 ANSYS概述
1.1 ANSYS家族概述
ANSYS 14热力学/电磁学/耦合场分析自学手册
传统的产品设计流程往往都是首先由客户提出产品相关的规格及要求，然后由设计人员进行概念设计，接着由工业设计人员对产品进行外观设计及功能规划，之后再由工程人员对产品进行详细设计。设计方案确定以后，便进行开模等投产前置工作。由图1-1所示可以发现，各项产品测试皆在设计流程后期方能进行。因此，一旦发生问题，除了必须付出设计成本，而且相关前置作业也需改动，而且发现问题越晚，重新设计所付出的成本将会越高；若影响交货期或产品形象，损失更是难以估计。为了避免此情形的发生，预期评估产品的特质便成为设计人员的重要课题。
计算力学、计算数学、工程管理学特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的进步。有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合，诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科。CAE（Computer Aided Engineering）作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。在产品开发过程中引入CAE技术后，在产品尚未批量生产之前，不仅能协助工程人员做产品设计，更可以在争取订单时，作为一种强有力的工具协助营销人员及管理阶层与客户沟通；在批量生产阶段，可以协助工程技术人员在重新更改时；找出问题发生的起点；在批量生产以后，相关分析结果还可以成为下次设计的重要依据。图1-2所示为引入CAE后产品设计流程图。
以电子产品为例，80%的电子产品都来自于高速撞击，研究人员往往耗费大量的时间和成本，针对产品做相关的质量试验，最常见的如落下与冲击试验。这些不仅耗费了大量的研发时间和成本，而且试验本身也存在很多缺陷，表现在：
（1）试验发生的历程很短，很难观察试验过程的现象；
（2）测试条件难以控制，试验的重复性很差；
（3）试验时很难测量产品内部特性和观察内部现象；
（4）一般只能得到试验结果，而无法观察试验原因。
引入CAE后，可以在产品开模之前，透过相应软件对电子产品模拟自由落下试验（Free Drop Test）、模拟冲击试验（Shock Test）以及应力应变分析、振动仿真、温度分布分析等求得设计的最佳解，进而为一次试验甚至无试验可使产品通过测试规范提供了可能。
1.1.1 CAE的发展历程
CAE的理论来源于20世纪40年代数学家Courant第一次尝试用定义在三角区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解t.Venant扭转问题，但由于当时计算机水平的限制，CAE并没有取得长足的发展。直到20世纪60年代，随着计算机的广泛应用和发展，有限元技术才依靠数值计算方法迅速发展起来。而真正的CAE软件则诞生于70年代初期。20世纪70年代至80年代是CAE技术蓬勃发展的时期，其功能和算法也得到了进一步的扩充和完善。到了80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。到了80年代后期，国际上已经有了NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、DYN-3D、MARC等国际知名的CAE软件。值得说明的是，近20年来是CAE软件商品化的迅速发展阶段。CAE开发商为了满足市场需求和适应计算机软硬件的迅速发展，在大力推销产品的同时，对软件的内部结构和部分软件模块，特别是数据管理和图形处理，进行了重大的改造，这使得目前市场上知名的CAE软件在功能、性能、可靠性等方面都得到了极大的发展和提高。到目前为止，CAE的发展经历了不到50年的时间，可以分成以下几个阶段。
第一阶段（1950—1960年）有限元程序发展理论与算法发展阶段。
有限单元法作为CAE的核心，是CAE中应用最广泛、最成熟的方法。现代有限单元法的第一个成功尝试是在1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，第一次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”，使人们认识到它的功效。这个时期的特点是人们主要致力于有限元基本理论与算法的研究，在有限元单元库的发展方面进行了大量的工作。
第二阶段（1960—1970年）商业CAE软件开发阶段。
这个阶段在市场需求下，人们开始致力于大型商用CAE软件与开发，其代表是世界三大CAE公司的相继成立。1963年MSC公司成立，开发称之为SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）结构分析软件。1965年参与美国国家航空及宇航局NASA发起的计算结构分析方法研究，其程序SADSAM更名为MSC/Nastran。
1967年SDRC（Structural Dynamics Research Corporation）公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商用有限元分析软件Supertab（后并入I-DEAS）。
1970年SASI（Swanson Analysis System, Inc）公司成立，后来重组后改为称ANSYS公司，开发了ANSYS软件。
这些程序在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟，为大量的商业CAE软件系统的开发提供了坚实的基础。
第三阶段（1970—1980年）商业CAE软件完善与优化发展阶段。
20世纪70年代至80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件公司相继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的MARC公司；致力于机械系统仿真软件开发的MDI公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的CASR公司，致力于结构、流体及流固耦合分析的ADIND公司，等等。
在这个时期，有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场（如温度场、电磁场、声波场等）的分析，从线性分析向非线性分析（如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、IDINA、SAP系列DYNA3D、ABAQUS等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些程序就结构和技术而言，基本上都是采用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件，其数据管理技术尚存在一定的缺陷，它们的运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。
第四阶段（1970—1980年）CAD/CAE/CAM集成和智能CAE阶段。
进入20世纪90年代以来，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，从而使得它们既可以实现与CAD、CAM软件的无缝连接，而且操作更加人性化。这些软件还可以在超级并行机、分布式微机群以及大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。从而CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要。
1.1.2 CAE的优越性
CAE作为一种综合应用计算力学、计算数学、信息科学等相关科学和技术的综合工程技术，是支持工程技术人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段。它对教学、科研、设计、生产、管理、决策等部门都有很大的应用价值，为此世界各国均投入了相当多的资金和人力进行研究。其重要性具体体现在以下几个方面。
（1）从广义上讲，CAE本身就可以看作一种基本试验。计算机计算弹体的侵彻与炸药爆炸过程以及各种非线性波的相互作用等问题，实际上是求解含有很多线性与非线性的偏微分方程、积分方程以及代数方程等的耦合方程组。利用解析方法求解爆炸力学问题是非常困难的，一般只能考虑一些很简单的问题。利用试验方法费用昂贵，还只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助研究人员了解问题的实质。而数值模拟在某种意义上比理论与试验对问题的认识更为深刻、更为细致，不仅可以了解问题的结果，而且可随时连续动态地、重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。
（2）CAE可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易为人理解和分析；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。如弹体在不均匀介质侵彻过程中的受力和偏转；爆炸波在介质中的传播过程和地下结构的破坏过程。同时，数值模拟可以替代一些危险、昂贵的甚至是难于实施的试验，如反应堆的爆炸事故，核爆炸的过程与效应等。
（3）CAE促进了试验的发展，对试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。侵彻、爆炸试验，费用是极其昂贵的，并且存在一定的危险，因此数值模拟不但有很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程。
（4）一次投资，长期受益。虽然数值模拟大型软件系统的研制需要花费相当多的经费和人力资源，但和试验相比，数值模拟软件是可以进行拷贝移植、重复利用，并可进行适当修改而满足不同情况的需求。据相关统计数据显示，应用CAE技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从80%～90%下降到8%～12%。
总之，CAE已经与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺少的手段。正如美国著名数学家拉克斯（P. Lax）所说：“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。”
