本節書摘來自異步社群《ansys 14熱力學/電磁學/耦合場分析自學手冊》一書中的第1章，第1.1節,作者： 胡仁喜 , 張秀輝 更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視。
ansys 14熱力學/電磁學/耦合場分析自學手冊
傳統的産品設計流程往往都是首先由客戶提出産品相關的規格及要求，然後由設計人員進行概念設計，接着由工業設計人員對産品進行外觀設計及功能規劃，之後再由工程人員對産品進行詳細設計。設計方案确定以後，便進行開模等投産前置工作。由圖1-1所示可以發現，各項産品測試皆在設計流程後期方能進行。是以，一旦發生問題，除了必須付出設計成本，而且相關前置作業也需改動，而且發現問題越晚，重新設計所付出的成本将會越高；若影響交貨期或産品形象，損失更是難以估計。為了避免此情形的發生，預期評估産品的特質便成為設計人員的重要課題。
計算力學、計算數學、工程管理學特别是資訊技術的飛速發展極大地推動了相關産業和學科研究的進步。有限元、有限體積及差分等方法與計算機技術相結合，誕生了新興的跨專業和跨行業的學科。cae（computer aided engineering）作為一種新興的數值模拟分析技術，越來越受到工程技術人員的重視。在産品開發過程中引入cae技術後，在産品尚未批量生産之前，不僅能協助工程人員做産品設計，更可以在争取訂單時，作為一種強有力的工具協助營銷人員及管理階層與客戶溝通；在批量生産階段，可以協助工程技術人員在重新更改時；找出問題發生的起點；在批量生産以後，相關分析結果還可以成為下次設計的重要依據。圖1-2所示為引入cae後産品設計流程圖。
以電子産品為例，80%的電子産品都來自于高速撞擊，研究人員往往耗費大量的時間和成本，針對産品做相關的品質試驗，最常見的如落下與沖擊試驗。這些不僅耗費了大量的研發時間和成本，而且試驗本身也存在很多缺陷，表現在：
（1）試驗發生的曆程很短，很難觀察試驗過程的現象；
（2）測試條件難以控制，試驗的重複性很差；
（3）試驗時很難測量産品内部特性和觀察内部現象；
（4）一般隻能得到試驗結果，而無法觀察試驗原因。
引入cae後，可以在産品開模之前，透過相應軟體對電子産品模拟自由落下試驗（free drop test）、模拟沖擊試驗（shock test）以及應力應變分析、振動仿真、溫度分布分析等求得設計的最佳解，進而為一次試驗甚至無試驗可使産品通過測試規範提供了可能。
1.1.1 cae的發展曆程
cae的理論來源于20世紀40年代數學家courant第一次嘗試用定義在三角區域上的分片連續函數的最小位能原理來求解t.venant扭轉問題，但由于當時計算機水準的限制，cae并沒有取得長足的發展。直到20世紀60年代，随着計算機的廣泛應用和發展，有限元技術才依靠數值計算方法迅速發展起來。而真正的cae軟體則誕生于70年代初期。20世紀70年代至80年代是cae技術蓬勃發展的時期，其功能和算法也得到了進一步的擴充和完善。到了80年代中期，逐漸形成了商品化的通用和專用cae軟體。到了80年代後期，國際上已經有了nastran、ansys、abaqus、dyn-3d、marc等國際知名的cae軟體。值得說明的是，近20年來是cae軟體商品化的迅速發展階段。cae開發商為了滿足市場需求和适應計算機軟硬體的迅速發展，在大力推銷産品的同時，對軟體的内部結構和部分軟體子產品，特别是資料管理和圖形處理，進行了重大的改造，這使得目前市場上知名的cae軟體在功能、性能、可靠性等方面都得到了極大的發展和提高。到目前為止，cae的發展經曆了不到50年的時間，可以分成以下幾個階段。
第一階段（1950—1960年）有限元程式發展理論與算法發展階段。
有限單元法作為cae的核心，是cae中應用最廣泛、最成熟的方法。現代有限單元法的第一個成功嘗試是在1956年，turner、clough等人在分析飛機結構時，将鋼架位移法推廣應用于彈性力學平面問題，第一次給出了用三角形單元求解平面應力問題的正确答案。1960年，clough進一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”，使人們認識到它的功效。這個時期的特點是人們主要緻力于有限元基本理論與算法的研究，在有限元單元庫的發展方面進行了大量的工作。
第二階段（1960—1970年）商業cae軟體開發階段。
這個階段在市場需求下，人們開始緻力于大型商用cae軟體與開發，其代表是世界三大cae公司的相繼成立。1963年msc公司成立，開發稱之為sadsam（structural analysis by digital simulation of analog methods）結構分析軟體。1965年參與美國國家航空及宇航局nasa發起的計算結構分析方法研究，其程式sadsam更名為msc/nastran。
1967年sdrc（structural dynamics research corporation）公司成立，并于1968年釋出世界上第一個動力學測試及模态分析軟體包，1971年推出商用有限元分析軟體supertab（後并入i-deas）。
1970年sasi（swanson analysis system, inc）公司成立，後來重組後改為稱ansys公司，開發了ansys軟體。
這些程式在可用性、可靠性和計算效率上已經基本成熟，為大量的商業cae軟體系統的開發提供了堅實的基礎。
第三階段（1970—1980年）商業cae軟體完善與優化發展階段。
20世紀70年代至80年代是cae技術的蓬勃發展時期，這期間許多cae軟體公司相繼成立。如緻力于發展用于進階工程分析通用有限元程式的marc公司；緻力于機械系統仿真軟體開發的mdi公司；針對大結構、流固耦合、熱及噪聲分析的casr公司，緻力于結構、流體及流固耦合分析的adind公司，等等。
在這個時期，有限元分析技術在結構分析和場分析領域獲得了很大的成功。從力學模型開始拓展到各類實體場（如溫度場、電磁場、聲波場等）的分析，從線性分析向非線性分析（如材料為非線性、幾何大變形導緻的非線性、接觸行為引起的邊界條件非線性等）發展，從單一場的分析向幾個場的耦合分析發展。出現了許多著名的分析軟體如nastran、i-deas、ansys、idina、sap系列dyna3d、abaqus等。軟體的開發主要集中在計算精度、速度及硬體平台的比對，使用者多數為專家且集中在航空、航天、軍事等幾個領域。這些程式就結構和技術而言，基本上都是采用結構化軟體設計方法，采用fortran語言開發的結構化軟體，其資料管理技術尚存在一定的缺陷，它們的運作環境僅限于當時的大型計算機和高檔工作站。
第四階段（1970—1980年）cad/cae/cam內建和智能cae階段。
進入20世紀90年代以來，cae開發商為滿足市場需求和适應計算機硬、軟體技術的迅速發展，對軟體的功能、性能，特别是使用者界面和前後處理能力進行了大幅擴充，對軟體的内部結構和部分子產品，特别是資料管理和圖形處理部分，進行了重大改造，進而使得它們既可以實作與cad、cam軟體的無縫連接配接，而且操作更加人性化。這些軟體還可以在超級并行機、分布式微機群以及大、中、小、微各類計算機和各種作業系統平台上運作。進而cae軟體在功能、性能、可用性和可靠性以及對運作環境的适應性方面基本滿足了使用者的需要。
1.1.2 cae的優越性
cae作為一種綜合應用計算力學、計算數學、資訊科學等相關科學和技術的綜合工程技術，是支援工程技術人員進行創新研究和創新設計的重要工具和手段。它對教學、科研、設計、生産、管理、決策等部門都有很大的應用價值，為此世界各國均投入了相當多的資金和人力進行研究。其重要性具體展現在以下幾個方面。
（1）從廣義上講，cae本身就可以看作一種基本試驗。計算機計算彈體的侵徹與炸藥爆炸過程以及各種非線性波的互相作用等問題，實際上是求解含有很多線性與非線性的偏微分方程、積分方程以及代數方程等的耦合方程組。利用解析方法求解爆炸力學問題是非常困難的，一般隻能考慮一些很簡單的問題。利用試驗方法費用昂貴，還隻能表征初始狀态和最終狀态，中間過程無法得知，因而也無法幫助研究人員了解問題的實質。而數值模拟在某種意義上比理論與試驗對問題的認識更為深刻、更為細緻，不僅可以了解問題的結果，而且可随時連續動态地、重複地顯示事物的發展，了解其整體與局部的細緻過程。
（2）cae可以直覺地顯示目前還不易觀測到的、說不清楚的一些現象，容易為人了解和分析；還可以顯示任何試驗都無法看到的發生在結構内部的一些實體現象。如彈體在不均勻媒體侵徹過程中的受力和偏轉；爆炸波在媒體中的傳播過程和地下結構的破壞過程。同時，數值模拟可以替代一些危險、昂貴的甚至是難于實施的試驗，如反應堆的爆炸事故，核爆炸的過程與效應等。
（3）cae促進了試驗的發展，對試驗方案的科學制定、試驗過程中測點的最佳位置、儀表量程等的确定提供更可靠的理論指導。侵徹、爆炸試驗，費用是極其昂貴的，并且存在一定的危險，是以數值模拟不但有很大的經濟效益，而且可以加速理論、試驗研究的程序。
（4）一次投資，長期受益。雖然數值模拟大型軟體系統的研制需要花費相當多的經費和人力資源，但和試驗相比，數值模拟軟體是可以進行拷貝移植、重複利用，并可進行适當修改而滿足不同情況的需求。據相關統計資料顯示，應用cae技術後，開發期的費用占開發成本的比例，從80%～90%下降到8%～12%。
總之，cae已經與理論分析、試驗研究成為科學技術探索研究的三個互相依存、不可缺少的手段。正如美國著名數學家拉克斯（p. lax）所說：“科學計算是關系到國家安全、經濟發展和科技進步的關鍵性環節，是事關國家命脈的大事。”