了解CAE是什麼? 工程師如何以CAE軟體工具，協助開發產品?

你知道CAD、CAM! 還有CAE!!

在工程設計領域，許多人都知道電腦輔助設計 (Computer Aided Design, CAD)，將設計畫成2D、3D模型，而在製造上，也知道能用電腦來輔助規劃 CNC 等機台在工件上的的運作路徑，也就是電腦輔助製造 (Computer Aided Manufacturing, CAM)。CAD 讓我們能夠在電腦上精確地繪製產品的設計圖，CAM 則能根據這些設計圖規劃和控制加工機，將設計圖轉化為真實的產品。然而，在 CAD 和 CAM 之間，還有一個影響設計優劣的關鍵工具—電腦輔助工程分析 (Computer Aided Engineering, CAE)。

CAE 巧妙地連結設計與製造，讓產品在實際製造出來之前，先藉由電腦輔助分析執行虛擬的產品設計驗證，讓工程師能知道自己的設計，是否在功能、品質上都能達標，更能在過程中，優化原始設計。因為一切都在”電腦”中進行，因此是工程領域實現數位化的關鍵。代表著工程師不再僅依賴經驗和直覺，而是能夠透過電腦模擬，得到量化、依據物理和數學進行分析，有依據的科學數據。在產品開發的早期階段預測、分析和優化產品的性能；而在整個產品的生命週期，只要有工程問題需要解決，都能使用 CAE 來找出設計問題，進一步優化原始的設計。

CAE到底是什麼?

想像一下，我們每天日常周遭的設施、產品，都是工程師”設計”而來。它們幾乎都是經過”測試”來確保功能和安全性，這點無庸置疑。然而有些極度要求安全性的產品，卻是沒辦法做到完全地”測試”。例如：在橋樑蓋好之前，我們不可能去測試橋梁，然而蓋好之後，再去測試，很可能會”破壞”它。這時候如果有CAE工具，工程師不必真的蓋一座橋，就能預先測試它的承重能力；如果是飛機、太空梭，更不可能製作出來才進行安全測試，因為它們的設計成果攸關乘客的安全性。因此，還沒有真的製造出來之前，有 CAE 工具就能模擬在各種氣候條件下的性能表現。以上，我們歸納 CAE 是實現「設計預測」的關鍵技術。

CAE: Computer Aided Engineering，中文稱「電腦輔助工程分析」，根據物理和數學方程式來求解工程問題。藉由 CAE 軟體工具來實現。

目的: 解決複雜和高階的工程和產品設計問題

使用者: 產品開發團隊的工程師

工具: CAE 軟體，依據問題類型有各種物理場的CAE商用軟體。像是結構分析 MSC Nastran、Marc；機構運動 Adams。噪音聲學: Actran。金屬加工製造: Simufact..

新手要做什麼準備?

對工程師而言，使用 CAE 就像是在虛擬世界中進行實驗，需要做適當的準備，才能獲得有用的答案。除了採購合適的 CAE 軟體和能執行高效能運算的硬體，工程師也需要作如下準備:

定義明確的問題： 首先，工程師需要明確他們想透過 CAE 解決的問題。例如，「這個零件在承受特定載荷時的應力分布如何？」「這個散熱器的效率如何？」「這個天線的訊號覆蓋範圍有多廣？」
精確的幾何模型： 使用 CAD 軟體建立的幾何模型必須精確地反映產品的形狀和尺寸。
合理的簡化： 在保證分析精度的前提下，對模型進行適當的簡化，以降低計算成本。
準確的材料屬性： 準確的材料屬性對於獲得可靠的分析結果至關重要。工程師需要查閱材料數據手冊或進行實驗測試，以獲得準確的材料參數。
合理的邊界條件： 工程師需要根據實際情況，合理地設定邊界條件，例如負載、拘束、溫度和位移。
專業知識和經驗： 熟悉 CAE 軟體的操作流程和軟體運算的原理，能夠判斷分析結果的合理性。

當然，CAE 的結果解讀，也是協助工程師做出更明智決策的關鍵。執行 CAE 軟體和操作分析之餘，根據數據再回到產品設計上的改善，也是非常關鍵。通常工程師能根據 CAE 的數據來:

性能預測：預測產品在各種情況下的性能表現，例如強度、剛度、熱效率、流動特性和電磁特性。
設計評估：評估設計方案的可行性和優缺點，找到最佳的設計方案。
問題診斷：診斷設計中存在的問題，例如應力集中、斷裂位置和散熱不佳。
參數優化：優化設計參數，例如尺寸、形狀和材料，以提高產品性能。
趨勢預測：分析不同設計參數對產品性能的影響趨勢，提供設計決策數據。

幾個常見的主要分析領域

包含多種分析方法，每種方法都針對特定的物理現象，這裡是常見的幾種方法：

分析領域	主要在探究什麼	數值方法和軟體類型
結構力學分析	固體結構的應力、應變、位移、振動..	有限元素法(FEM) \| FEA 軟體
流體力學分析 (CFD)	流體的流動、傳熱、傳質..	有限體積法(FVM) \| CFD 軟體
熱分析	熱的傳遞過程	FEM \| FEA 軟體或專門的熱分析軟體
電磁分析	電場和磁場的分布和相互作用	FEM \| FEA 軟體或專門的電磁分析軟體
多體動力學 (MBD)	多個相互連接的物體間的動力學特性	特定運算法 \| MBD 專用軟體
聲學分析	聲音的產生、傳播和接收	FEM 、邊界元素法(BEM) 或其他數值方法 \| 聲學分析軟體

跳脫軟體框架，先了解工作流程

因為使用的軟體工具不同，CAE 的工作流程有不同的架構。通常包含以下幾個關鍵步驟：

建立幾何模型： 使用電腦輔助設計 (CAD) 軟體建立產品或系統的精確幾何模型。
網格劃分 (Meshing)：將幾何模型離散化為有限個元素（例如三角形、四面體、六面體），形成網格。網格的質量直接影響分析的精度和計算時間。
定義材料屬性： 為每個部件或元素指定材料的物理屬性，例如彈性模量、泊松比、密度、熱導率和電導率。
設定邊界條件： 定義系統的邊界條件，例如施加的載荷、約束、溫度、壓力和電壓。
求解： 運行 CAE 軟體，利用數值方法求解描述物理現象的控制方程式。求解器的選擇取決於分析的類型和複雜程度。
後處理： 分析和可視化求解結果，例如應力分布、流速分布、溫度分布和電磁場分布。
驗證與優化： 將 CAE 分析結果與實驗數據或其他可靠數據進行比較，驗證模型的準確性。根據分析結果，對設計進行優化，以滿足性能要求。

我有需要CAE軟體嗎?

CAE軟體聽起來就是高科技?說是，也不是。因為這種模擬技術和商用 CAE 軟體至今(2025)已經60多年，可說是一種持續發展、高階的技術和觀念；即使已經不是什麼最新科技，實務上我們仍然可以從一間公司是否有盡早引進 CAE 工具，來估計該公司在研發產品上的需求和程度。我們想像自己是一位企業主，正要開發新產品。那麼，首先你會選購 CAD 軟體，設計出來之後，初步打樣，然後可能做些實驗來測試產品，接著尋求委外的製造資源或者自己製造。製造商可能採購 CAM 軟體，來提升製造能量。這過程中，如果產品能順利做出來，那麼 CAE 可能自始自終都沒有需求。然而，如果產品很複雜，製造和開發所需的測試成本高，實驗和測試也無法有效地確保產品的性能和品質，CAE工具就因應需求而生。

定義需求、解決問題

CAE是你解決工程問題的科學工具，當然因為”需求”來使用。舉例來講，你要到200公里外的地方上班，可以走路、騎腳踏車，甚至搭客運，也可以選擇自己開車或者搭乘高鐵，各種方式都能到達，但是如果要在一小時內完成，那麼搭乘高鐵就是最佳的方式，因為它能解決你當前的問題。同樣的，使用CAE是因為產品開發有複雜的”設計”需求，或者希望”解決工程問題”，甚至是”數位化”工程設計…。適當有效的運用CAE工具，相信它能幫你節省產品開發的”技術”問題，更能節省開發”時間和金錢”。

想了解您的工程問題，合適用那一種CAE軟體工具嗎?歡迎聯繫我們。

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