打算机赞助工程（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短缺的一环。传统的CAE技能是指工程设计中的剖析打算与剖析仿真，详细包括工程数值剖析、构造与过程优化设计、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，随着企业信息化技能的不断发展，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能，在提高工程/产品的设计质量，降落研究开拓本钱，缩短开拓周期方面都发挥了主要浸染。
而CAE技能涌现则是要归功于有限元剖析的出身，在有限元法出身的早期，险些所有的CAE软件都是利用有限元法来进行打算求解。因此，可以说有限元法的发展也间接反响了CAE软件在这半个世纪的发展历史。
1、有限元法的出身
每一项新技能的推出都是由于时期的急迫须要，而新技能的涌现后也须要经历历史的重重磨练。在上个世纪40年代，由于航空奇迹的快速发展，对飞机内部构造设计提出了越来越高的哀求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和打算。正是在这一背景下，有限元剖析的方法逐渐的发展起来。
早期的一些成功的实验求解方法与专题论文，完备或部分的内容对有限元技能的产生做出的贡献，首先在运用数学界第一篇有限元论文是1943年Courant R揭橥的《Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibration》一文，文中描述了他利用三角形区域的多项式函数来求解旋转问题的近似解，由于当时打算机尚未涌现，这篇论文并没有引起应有的把稳。
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揭橥一篇采取有限元技能打算飞机机翼的强?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)，一样平常认为这是工程学界上有限元法的开端。
图1 首次提出有限元名称的Ray W. Clough博士
1960年，Ray W. Clough教授在美国土木工程学会(ASCE)之打算机会议上，揭橥另一篇名为《The Finite Element in Plane Stress Analysis》的论文，将运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。
由此之后，有限元法的理论迅速地发展起来，并广泛地运用于各种力学问题和非线性问题，成为剖析大型、繁芜工程构造的强有力手段。并且随着打算机的迅速发展，有限元法中人工是难以完成的大量打算事情能够由打算机来实现并快速地完成。因此，可以说打算机的发展很大程度上促进了有限元法的建立和发展。
2、由理论到程序的转变
2.1 FEA技能的探索起源期“有限元法”观点的提出，引出了美国加州大学伯克利分校有限元技能研究小组的最为辉煌的十年进程。
1963年在加州大学Berkeley分校，Edward L.Wilson教授和Ray W. Clough教授为了教授构造静力与动力剖析而开拓了SMIS（Symbolic Matrix Interpretive System），其目的是为了填补在传统手工打算方法和构造剖析矩阵法之间的隔阂。1969年，Wilson教授在第一代程序的根本上开拓的第二代线性有限元剖析程序便是著名的SAP（Structural analysis program），而非线性程序则为NONSAP。
Wilson教授的学生Ashraf Habibullah于1978年创建了Computer and Structures Inc.（CSI），CSI的大部分技能开拓职员都是Wilson教授的学生，并且Wilson教授也是CSI的高等技能发展顾问。而SAP2000则是由CSI在SAP5、SAP80、SAP90的根本上开拓研制的通用构造剖析与设计软件。
同样是1963年，Richard MacNeal博士和Robert Schwendler师长西席联手创办了MSC公司，并开拓第一个软件程序，名为SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）即数字仿真仿照法构造剖析。
提到MSC公司，就想到与其有着不解渊源的美国国家太空总署(NASA)，当年美国为了能够在与前苏联之间的太空竞赛中取得良好而成立了NASA。而为了知足宇航工业对构造剖析的急迫需求，NASA于1966年提出了发展天下上第一套泛用型的有限元剖析软件Nastran(NASA STRuctural ANalysis Program)的操持，MSC.Software则参与了全体Nastran程序的开拓过程。1969年NASA推出了其第一个NASTRAN版本，称为COSMIC Nastran。之后MSC连续的改良Nastran程序并在1971年推出MSC.Nastran。
另一个与NASA结缘的是SDRC公司，1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年发布了天下上第一个动力学测试及模态剖析软件包，1971年推出商业用有限元剖析软件Supertab(后并入I-DEAS软件中，这也便是为什么I-DEAS作为一款设计软件其有限元剖析还如此强大的缘故原由)。
1969年，John Swanson博士建立了自己的公司Swanson Analysis Systems Inc(SASI)。实在早在1963年John Swanson博士任职于美国宾州匹兹堡西屋公司的太空核子实验室时，就已经为核子反应火箭作应力剖析编写了一些打算加载温度和压力的构造应力和变位的程序，此程序当时命名为STASYS (Structural Analysis SYStem)。在Swanson博士公司成立的次年，结合者早期的STASYS程序发布了商用软件ANSYS。1994年Swanson Analysis Systems, Inc.被TA Associates并购，并宣告了新的公司名称改为ANSYS。
2.2 FEA技能的发达发展期
进入70年代后，随着有限元理论的趋于成熟，CAE技能也逐渐进入了发达发展的期间，一方面MSC，ANSYS，SDRC三大CAE公司先后组建，并且致力于大型商用CAE软件的研究与开拓，另一方面，更多的新的CAE软件迅速涌现，为CAE市场的繁荣注入了新鲜血液。
70年代初当时任教于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。虽然在MARC在1999年被MSC公司收购，但其对有限元软件的发展起到了决定性的推动浸染，至今在MSC的剖析体系中依然有着MARC程序的身影，更值得一提的是Pedro Marcal从前也是毕业于Berkeley大学。
在早期的商用软件舞台上，还有两位紧张人物，他们是David Hibbitt和Klaus J Bathe。
David Hibbitt是Pedro Marcal在Brown的博士生，David Hibbitt与Pedro Marcal互助到1972年，随后Hibbitt与Bengt Karlsson和Paul Sorenson于1978年共同建立HKS公司，推出了Abaqus软件，使ABAQUS商业软件进入市场。由于该程序是能够勾引研究职员增加用户单元和材料模型的早期有限元程序之一，以是它对软件行业带来了本色性的冲击。2002年HKS公司改名为ABAQUS，并于2005年被达索公司收购。
图2 David Hibbitt博士 图3 Klaus J. Bathe博士
其余一位对有限元方法做出重大贡献的是Klaus J. Bathe博士。Klaus J. Bathe六十年代末在Berkeley大学Clough和Ed Wilson博士的辅导下攻读博士学位，从事构造动力学求解算法和打算系统的研究。由于Bathe博士在对构造打算以及SAP软件所做的贡献，Bathe博士毕业后被MIT聘请到机器与力学学院任教至今。
1975年在MIT任教的Bathe博士在NONSAP的根本上揭橥了著名的非线性求解器ADINA (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)，而在1986年ADINA R&D Inc.成立以前，ADINA软件的源代码是公开的，即著名的ADINA81版和ADINA84版本的fortran源程序，后期很多有限元软件都是根据这个源程序所编写的。
1977年Mechanical Dynamics Inc.(MDI)公司成立，致力于发展机器系统仿真软件，其软件ADAMS运用于机器系统运动学、动力学仿真剖析。后被MSC公司收购，成为MSC剖析体系中一个主要的组成部分。
在CAE的历史中另一个神奇的程序是显式有限元程序DYNA，DYNA程序由当时在美国Lawrence Livermore国家实验室的John Hallquist编写。之以是说DYNA神奇，是由于在现在我们熟知的浩瀚软件中，都可以创造DYNA的踪迹，因此LS-DYNA系列也被公认为显式有限元程序的鼻祖。下面我们来细数一下由DYNA所演化出来的有限元程序：
在20世纪80年代，DYNA程序首先被法国ESI公司商业化，命名为PAM-CRASH，现已成为了ESI的明星产品。除此之外，ESI公司还有多个被人熟知的软件，如铸造软件ProCAST，钣金软件PAM-STAMP，焊接软件SYSWELD，振动噪声软件VA One，空气动力学软件CFD-FASTRAN，多物理场软件CFD-ACE+等等。
1988年，John Hallquist自己创建LSTC(Livermore Software Technology Corporation)公司，发行和扩展DYNA程序商业化版本LS-DYNA。
同样是1988年，MSC在DYNA3D的框架下开拓了MSC.Dyna并于1990年发布第一个版本，随后于1993年发布了著名的MSC.Dytran。
其余，ANSYS收购了Century Dynamics公司，把该公司以DYNA程序开拓的高速瞬态动力剖析软件AUTODYN纳入到ANSYS的剖析体系中。并且在1996年，ANSYS与LSCT公司互助推出了ANSYS/LS-DYNA。
1984 年，ALGOR公司成立于，总部位于宾州的匹兹堡，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）。
随着有限元技能的日趋成熟，市场上不断有新的公司成立并推出CAE软件，1983年AAC公司成立，推出COMET程序，紧张用于噪声及构造噪声优化剖析等领域。随后Computer Aided Design Software Inc推出供应线性静态、动态及热剖析的PolyFEM软件包。1988年Flomerics公司成立，供应用于空气流及热通报的剖析程序。同期间还有多家专业性软件公司投入专业CAE程序的开拓。由此，CAE的剖析已经逐渐的扩展到了声学、热传导以及流体等更多的领域。
表1 有限元法的发展
在早期有限元技能刚刚提出时，其运用范围仅在航空航天领域，且研究的工具也只局限在线性问题与静力剖析。而经由近十年的发展研究，有限元技能的运用范围已经席卷了力学、热、流体、电磁的自然界四大基本物理场，并且已经发展到多场耦合技能（如表1所示）。可以说有限元技能经由十年的研究发展，其运用范围与研究工具发生了翻天覆地的变革。
2.3 FEA技能的成熟壮大期
上世纪90年代至今是CAE技能的成熟壮大期间，这一期间的CAE领域呈现出了大鱼吃小鱼的市场局势，大的软件公司为了提升自己的剖析技能、拓宽自己的运用范围探求机会收购、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。
图4 MSC体系中的各剖析软件
MSC公司作为最早成立的CAE公司，先后通过开拓、并购，已经把数个CAE程序集成到其剖析体系中。目前MSC公司旗下拥有10几个产品，如Nastran、patran、Marc、Adams、Dytran和Easy 5等，覆盖了线性剖析、非线性剖析、显式非线性剖析以及流体动力学问题和流场耦合问题。其余，MSC公司还推出了多学科方案（MD）来把以上的诸多产品集成为了一个单一的框架办理多学科仿真问题。
Ansys公司通过持续串的并购与自身壮大后，把其产品扩展为ANSYS Mechanical系列，ANSYS CFD（FLUENT/CFX）系列，ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS Workbench和EKM等。由此ANSYS塑造了一个体系规模弘大、产品线极为丰富的仿真平台，在构造剖析、电磁场剖析、流体动力学剖析、多物理场、协同技能等方面都供应完善的办理方案。
SDRC把其有限元程序Supertab并入到I-DEAS中，并加入耐用性、NVH、优化与灵敏度、电子系统冷却、热剖析等技能，且将有限元技能与实验技能有机地结合起来，开拓了实验旗子暗记处理、实验与剖析干系等剖析能力。而在2001年SDRC公司被EDS所收购，并将其与UGS合并重组，SDRC的有限元剖析程序也演化成了NX中的I-deas NX Simulation，与NX Nastran一起成为了NX产品生命周期中的仿真剖析中的主要组成部分。
说到NX Nastran，大家都会想到另一个以Nastran为名的有限元软件MSC.Nastran。MSC.Nastran与NX Nastran可谓是同根同源，皆是由NASA推出的Nastran程序的源代码发展出来的。下面我们可以大略的先容下MSC.Nastran与NX Nastran的由来。
图5 由Nastran发展出来的MSC.Nastran与NX Nastran程序
在当时开拓Nastran程序的不止MSC一家公司，还有其余两家公司也推出了Nastran程序的商业版，1972年 UAI公司发布基于COSMIC NASTRAN的UAI Nastran软件，1985年CSAR公司发布了基于COSMIC NASTRAN的CSAR Nastran软件。当时是市场上有这3家公司共同经营Nastran软件。
而在1999年，MSC收购了UAI和CSAR，成为市场上惟逐一家供应Nastran商业代码的供应商。而在此后的几年，独自享有源代码的MSC Nastran软件价格不断上涨，但是其功能和做事却没有得到相应的提升，从而引发大量客户的抱怨，为此NASA则向美国联邦贸易委员会(FTC)提出了申说。
美国FTC判“MSC Nastran垄断”，MSC Nastran源代码须公开，而这一决定也引来了UGS公司加入到Nastran的市场中来。而后，UGS根据MSC所供应的源代码、测试案例、开拓工具和其他技能资源开拓出了NX Nastran。至此，源于NASA的Nastran一分为二，齐头并进，为用户带来了更多的新技能与做事。
进入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被反垄断拆分后屁滚尿流，2009年7月被风投公司STG收购，出息至今还不明朗；而ANSYS则是最早涌现的三大巨子中最为强劲的一支，收购了Fluent、CFX、Ansoft等浩瀚有名厂商后，逐渐的塑造了一个体系规模弘大、产品线极为丰富的仿真平台。
而在CAE市场的其他厂商也发生了不少的并购和重组，一些新近的厂商也逐渐在崭露锋芒。如并入达索SIMULIA的ABAQUS，能否如SolidWorks一样借助达索的强劲在CAE市场中打出一片天地；以前后处理而进入CAE领域的Altair公司，其Hypermesh软件自出身之日起就备受业界的关注，而环绕前后处理建立起来的HyperWorks软件，也已经成为了现在市场上很有竞争力的软件，近几年来收入也持续上涨；LMS也是一个比较有特点的CAE软件公司，其软件的剖析集1D、3D、“试验”于一身，不仅可以加速虚拟仿真，还能使仿真结果更准确可靠；COMSOL则因此多物理场耦合仿真开辟出了一片新天地，为其发展、更为CAE技能的发展拨开迷雾。
其余，在市场中霸占一定份额的还有如前后处理软件ANSA、Truegrid，流体仿真软件Fluent（被ANSYS收购）、CFX（被ANSYS收购）、Phoenics、NUMECA、Star-CD，铸造仿真软件ProCAST、FLOW-3D、MAGMA SOFT等一批专业CAE剖析软件。
3、海内有限元法的发展之路
我国的力学事情者为有限元方法的初期发展做出了许多贡献，个中比较著名的有：陈伯屏（构造矩阵方法），钱令希（余能事理），钱伟长（广义变分事理），胡海昌（广义变分事理），冯康（有限单元法理论）。遗憾的是由于当时环境所致，我国有限元方法的研究事情受到阻碍，有限元理论的发展也逐渐与国外拉开了间隔。
20世纪60年代初期，我国的老一辈打算科学家较早地将打算机运用于土木、建筑和机器工程领域。当时黄玉珊教授就提出了“小展弦比机翼薄壁构造的直接设计法”和“力法－应力设计法”；而在70年代初期，钱令希教授提出了“构造力学中的最优化设计理论与方法的近代发展”。这些理论和方法都为海内的有限元技能指明了方向。
1964年初崔俊芝院士研制出海内第一个平面问题通用有限元程序，办理了刘家峡大坝的繁芜应力剖析问题。20世纪60年代到70年代，海内的有限元方法及有限元软件出身之后，曾打算过数十个大型工程，运用于水利、电力、机器、航空、建筑等多个领域。
20世纪70年代中期，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。80年代中期，北京大学的袁明武教授通过对国外SAP软件的移植和重大改造，研制出了SAP-84；北京农业大学的李明瑞教授研发了FEM软件；建筑科学研究院在国家“六五”攻关项目支持下，研制完成了“BDP-建筑工程设计软件包”；中国科学院开拓了FEPS、SEFEM；航空工业总公司飞机构造多约束优化设计系统YIDOYU等一批自主程序。
上世纪90年代以来，大批国外CAE软件涌入海内市场，遍及海内的各个领域，国外的专家则深入到大学、院所、企业与工厂，展示他们的CAE技能、系统功能及利用技巧，因此使得海内自主研发CAE软件受到强烈打压。同时，有关管理部门在对直接为前辈装备制造业做事的CAE软件核心技能的认识上产生了偏差：CAE既不属于根本科学，又不属于科技攻关，故而失落去了必要的支持，使其发展举步维艰，以至于在上世纪的末了十几年海内CAE自主创新的步伐已经非常缓慢，也逐渐的拉开了与国外CAE软件的间隔。
图6 紫瑞CAE软件剖析界面 图7 FEPG软件剖析界面
进入21世纪后，虽然国外CAE软件霸占市场主流的现状短韶光内已经无法撼动，但海内自主知识产权CAE软件逐渐市场化，得到了一定的发展：北京飞箭软件有限公司推出的FEPG、郑州机器研究所推出的紫瑞CAE、大连的大工安道公司的CAE软件Adopt.Smart；湖南大学与吉林大学开拓了针对汽车构造的KMAS剖析系统；华中科技大学针对铸造成型开拓的华铸CAE软件；清华大学、上海交大在注塑成型CAE领域也推出了相应的剖析软件。
虽然海内CAE自主研发之路历经艰辛，但是广大专家学者用坚持不懈的战斗精神顽强地生存下来。尤其是在近几年，数字化产品设计的观点逐渐深入民气，海内高校技能研究和运用水平不断提高，有限元技能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，海内CAE的研究已经逐渐走出低迷状态，得到了一定的发展，而且值得把稳的是，有限元技能不再仅仅勾留在高校中，而是更多的走向了企业。同时，更多利用方便、操作大略的专用剖析软件也得到了广泛运用。
4、多种技能、同一目的
发展到本日，CAE软件不仅仅只有有限元法一种基本算法，目前已经发展出了包括有限差分法、有限元法、有限体积法等多种数学算法。而究实在质都是采取微积分的方法对离散方程进行求解，从而得出所求的结果。三种方法的比较如表2所示。
表2 有限差分法、有限元法、有限体积法比较
多种求解方法使CAE技能得到的长足的发展，而目前有限元法覆盖的领域已经非常广泛，并已大量的运用于构造力学，构造动力学，热力学，流体力学等仿真剖析，并且向着多物理场耦合剖析的方向发展着，进而逐步的推动着CAE技能的发展
5、结语
CAE技能出身至今已半个多世纪，随着打算机技能与软件技能的不断发展壮大，CAE的技能手段与运用范围已经不可同日而语，随之而来也出身了数以百计的CAE软件商。如今的CAE市场是一个群雄盘据的年代，据不完备统计环球有超过200种仿真剖析的软件在被企业所利用着，昔日的巨子命运也各不相同，更有着无数的新贵崛起进入人们的视野。
种类繁多的CAE软件为人类探索未知供应了工具，而CAE软件已经逐渐的被更多的工程职员所接管，在CAE软件中进行着产品的仿真、剖析与优化，同时工程和产品的自主创新也为CAE发展供应了强大的动力，相信CAE技能将会随着工程科学技能的飞速发展而迎来一个更为辉煌残酷的来日诰日。
