CAE 是 Computer-Aided Engineering 的縮寫，中文為「電腦輔助工程」，指的是用電腦模擬來預測產品的強度、變形、溫度、流場、振動和噪音等物理行為，在做出實體之前就驗證設計成果。它和 CAD（電腦輔助設計）、CAM（電腦輔助製造）同屬 CAx 家族，串起來就是產品從構想到量產的數位化流程。
重點摘要
- 文章闡述了 CAE 的概念，強調在產品設計過程中使用電腦模擬來提前測試車架的強度和耐用性。
- CAE 工程師利用 CAE 軟體模擬各種可能的騎車情境，節省時間和成本，並在設計階段發現問題。
- CAE 流程包含前處理、求解和後處理三個步驟，並涵蓋結構分析、疲勞分析及流體熱傳等多種應用。
- 隨著 AI 的發展，利用過去的模擬數據來訓練機器學習模型，使得設計預測速度大幅提升。
- 最終，數位雙生概念將 CAx 家族整合至產品整個生命周期，實現實體產品的即時數據回饋。
要我們聊聊什麼是 CAE 之前，想問問大家有沒有騎過 YouBike？台灣被稱為「自行車王國」，從設計生產到使用，都是世界數一數二的地位，現在城市街頭到處可見 YouBike 租用站。但是你有想過嗎？要設計這樣一台非常耐用的腳踏車，他在製造出來之前，早就在電腦裡以不同的形式「誕生」過好幾次了。
車架的形狀是在電腦裡畫出來的；騎上坡時車架會不會變形、過坑洞時會不會折斷，工程師已經先在電腦裡試過不知道多少遍；車架管件要怎麼銲、碳纖維要怎麼成形，也是電腦先規劃好的。這些在電腦內使用來幫助設計生產的軟體，名字前面都有 CA ( Computer Aided ) 兩個字母，也就是大家常聽說的 CAx 家族。
這篇文章就跟著一台腳踏車，帶你認識 CAD、CAE、CAM 和它們的家族成員，並把重點放在讓產品「先在電腦裡測試」的 CAE，看看它們從哪裡來，以及 AI 加入之後又改變了什麼。
一台腳踏車的誕生：CAD → CAE → CAM
第一站 CAD：把車架「畫」出來
工業設計師先用在軟體內設計出這台車子的外型，可能是好看、好騎、好賣相，這時候還沒有細節的機構設計。接著機構工程師在 CAD ( Computer Aided Design ) 軟體建出車架的 3D 模型：上管多長、下管多粗、頭管角度幾度，每個尺寸都精確到小數點，甚至決定要選用什麼材料製作，機構的細節都必須考慮進去。在 CAD 圖檔內改一個數字，相連的管件和接頭會自動跟著調整，這就是「參數化設計」。這樣的設計流程，大家聽來不陌生吧!
然而，在 CAD 軟體出現以前，工程圖全靠製圖桌、丁字尺和鉛筆，改一個尺寸常需要整張重畫。1963 年，MIT 的研究生 Ivan Sutherland 發表了 Sketchpad，第一次讓人用光筆直接在螢幕上畫圖、移動、縮放。這個博士論文，被視為 CAD 和現代圖形介面的起點。後來才有大家熟知的 Autodesk, Creo(Pro/ENGINEER), SolidWorks, CATIA..各種商業 CAD 軟體。
現在 AI 出現，有了生成式設計，工程師可以只告訴電腦「這個接頭要承受多少力、重量越輕越好、這幾個位置必須固定」，AI 就會自動「生成」出最佳形狀，常常是人類抓破頭都想不到、像骨頭形狀一樣的自然曲線造型。可以參考本網站上的案例〈『生成式』設計，加速複雜引擎蓋鉸鏈的產品開發〉。
第二站 CAE：在電腦裡模擬騎車需求
車架畫好了，但它真的能騎嗎？是否夠堅固耐用呢？騎久了車架會不會直接斷掉？過去要回答這些問題，只能做出樣品，送進實驗室反覆測試；發現問題就改設計、再做出樣品、再實體測試一次。每一輪都要花上數週甚至數個月，模具和樣品以及費用累積下來也不少錢。
如果我們可以產出實體產品，在電腦內先模擬看看，如果沒問題再製造出來，是否可以省不少時間和金錢呢？這就是 CAE ( Computer Aided Engineering ) 的做法，先在電腦裡嘗試各種可能會騎壞的狀況。
CAE 工程師把騎士踩踏的力量、過坑洞的衝擊、長期使用的反覆負載輸入 CAE 軟體，計算出車架每一處的應力和變形。不合格就回到 CAD 修改，在電腦裡跑過幾十、幾百種設計，到達一定的理想設計程度後，只需要做少量樣品做最終確認。
CAE 分析的三個步驟
以車架的強度分析為例，一個典型的 CAE 流程是這樣：
- 前處理（Pre-processing）：把 CAD 模型切成成千上萬個小元素，這個過程叫「建立網格」；再設定鋁合金或碳纖維的材料性質，以及哪裡固定、哪裡受力，也就是邊界條件。
- 求解（Solving）：求解器根據物理定律，解出大量方程式，算出每個元素的位移、應力和應變。最常用的方法是有限元素分析（FEA）。
- 後處理（Post-processing）：把結果畫成彩色的應力雲圖和變形動畫，能看出哪裡最危險，再判斷要加厚管壁、改變接頭形狀，還是換材料。
那麼，可以做哪些 CAE 分析？
CAE 不只算強度，還涵蓋好幾種物理現象，也有專精的軟體應對，以腳踏車為例：
- 結構分析：車架和前叉在踩踏、煞車時的應力與變形，例如 MSC Nastran、Marc、EPILYSIS。
- 疲勞分析：騎上萬公里之後，銲道和接頭會不會出現裂紋，例如 CAEfatigue、FATIQ。
- 流體與熱傳（CFD）：公路車的風阻，以及電動腳踏車電池和馬達的散熱，例如 Cradle CFD。
- 多體動力學（MBD）：避震前叉和後避震的作動、騎乘時整車的動態，例如 Adams。
- 振動與噪音（NVH）：電動腳踏車馬達和齒輪的嗡嗡聲，例如 Actran、Romax。
- 製程模擬：鋁管銲接後的熱變形和殘留應力，例如 Simufact Welding。
需要注意的是，CAE 結果的準確度取決於輸入的條件。材料參數、邊界條件如果錯誤，計算出來的彩色雲圖也會是錯的。所以大家有一個觀念，CAE 是一項工具，以軟體模擬為工具，來幫助設計，不是直接取代實驗。當然，你的 CAE 做的分析涵蓋的面相夠廣且經過充分驗證，也不是不能完全取代實驗 ( 這會牽涉到模型確認（Validation）)。一些大型飛機太空梭都不可能直接做出成品試驗啊，這時候 CAE 的加入就能減少實驗，增加必要實驗的準確性。
1960 年代中期，NASA 希望旗下各研究中心改用同一套結構分析程式，MSC 正是參與開發的團隊之一。這套程式在 1960 年代末交付 NASA，命名為 NASTRAN（NASA Structural Analysis）；1971 年，MSC 推出自家版本 MSC/NASTRAN，也就是今天的 MSC Nastran。它正是一套基於有限元素法 ( Finite Element Method, FEM )的分析軟體。這套技術從太空一路走進汽車、飛機，也走進了腳踏車，甚至幾乎所有的交通工具。想了解 FEA 的原理，可以看〈什麼是有限元素分析（FEA）？〉。
過去 CAE 難以避免的就是大量的運算問題，即使在電腦晶片已經顛峰的狀態，大量的運算依舊是挑戰。但在 AI 來了之後，代理模型概念出現，現在可以用過去的模擬結果(數據)訓練機器學習模型，之後只要改一個管徑，幾秒內就能預測強度變化，讓工程師一次評估多種不同種設計。AI 也開始幫忙自動建網格、自動檢查模型錯誤，把前處理的時間大幅縮短。延伸閱讀：〈機器學習助攻無人機設計！〉、〈BETA CAE Suite 2026.1 的 AI 技術圖譜〉。
第三站 CAM：用機器製造出來
設計通過驗證後，就輪到 CAM ( Computer Aided Manufacturing ) 軟體，它能根據 CAD 模型規劃刀具路徑，產生 CNC 機台看得懂的 G-code，從哪裡下刀、走多快、切多深，路徑怎麼移動。腳踏車的花鼓、曲柄、碟煞座這類精密零件，大多都是這樣加工出來的。
講個小故事。1950 年代初，美國空軍需要加工形狀複雜的飛機零件，工程師 John Parsons 和 MIT 合作，做出用打孔紙帶控制的數控銑床，機器第一次可以照著「程式」自己切削。這台機器可說是今天的 CNC 和 CAM 的始祖。
AI 來了之後，可以根據材料和刀具狀況自動最佳化切削參數，也能從機台的振動和電流訊號預測刀具什麼時候會磨耗，在出問題之前就提醒換刀。
CAx 家族成員
CAx 裡的「x」是萬用字元，代表所有「電腦輔助的某件事」。以下依產品開發的順序，整理工程界最常見的成員。
CAID（Computer-Aided Industrial Design，電腦輔助工業設計）
CAID 偏重造型、曲面和美感，是產品外觀的起點。工業設計師用它來做車身線條、家電外殼這類講究視覺的曲面，再交給工程師用 CAD 做細部設計。
CAD（Computer-Aided Design，電腦輔助設計）
CAD 用來建立產品精確的 2D 工程圖和 3D 模型，是所有後續工作的共同基礎。常見軟體包括 SolidWorks、CATIA、Creo、NX、Inventor 等，使用者以設計工程師為主。
CAE（Computer-Aided Engineering，電腦輔助工程）
CAE 用電腦模擬取代部分實體測試，驗證設計的強度、壽命、散熱、振動、噪音和運動是否符合需求，是 CAx 家族裡負責「驗證」的成員。它涵蓋結構分析（FEA）、疲勞分析、流體與熱傳（CFD）、多體動力學（MBD）、聲學與振動（NVH）和製程模擬等領域，廣泛用在汽車、航太、電子、機械、能源和醫療器材產業。
導入 CAE 的好處主要有三個：減少實體樣品和測試次數、縮短開發時程，以及在設計初期就找出問題，避免量產後才發現而付出更高的代價。
CAPP（Computer-Aided Process Planning，電腦輔助製程規劃）
CAPP 決定零件要經過哪些工序、用哪台機器、以什麼順序加工，是設計和製造之間的橋樑。以腳踏車車架為例，它會安排裁管、彎管、銲接、熱處理、烤漆的先後順序。
CAM（Computer-Aided Manufacturing，電腦輔助製造）
CAM 把 CAD 模型轉成機器的加工指令，例如 CNC 的刀具路徑和 G-code，也涵蓋雷射切割、放電加工和 3D 列印的路徑規劃。使用者以製造工程師和 CNC 程式設計師為主。
CAI／CAT（Computer-Aided Inspection／Testing，電腦輔助檢測與測試）
CAI 用三次元量床、3D 掃描儀量測成品，再和 CAD 模型比對，檢查尺寸和形狀是否在公差範圍內。CAT 則用電腦控制和記錄實驗測試，例如疲勞試驗和振動試驗。
PDM／PLM（Product Data Management／Product Lifecycle Management，產品資料管理／產品生命週期管理）
PDM 管理圖檔、版本和變更紀錄，解決「到底哪一版才是最新的？」這個大家在實務上常遇到的問題。PLM 的範圍更大，涵蓋產品從構想、設計、生產、維修到退役的整個生命週期。
SPDM（Simulation Process and Data Management，模擬流程與資料管理）
SPDM 專門管理 CAE 的模型、分析結果和工作流程，讓模擬可以被追溯、重複使用，也方便團隊協作。例如 BETA CAE 的 SPDRM 和 KOMVOS。
跨界成員：EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）
前面介紹的成員，主要處理機構和實體零件，業界常稱為 MCAD／MCAE。EDA 則是電子產業的設計工具，用來設計 IC 晶片和電路板（PCB），也被稱為 ECAD。它本身就有一整套設計、模擬、驗證到製造的流程，可以說是「電子界的 CAx」。
過去機構和電子各走各的路，但現在的產品越來越難分開看。以電動腳踏車為例：
- 馬達控制器的電路板會發熱，散熱好不好要靠 CFD 熱流分析來確認。
- 騎乘時的振動會傳到電子元件和銲點，影響壽命，需要用 結構與疲勞分析 評估。
- 電池模組既是電子系統，也是要承受撞擊和溫度變化的機構件。
這類問題只看機構或只看電路都不夠，必須讓 EDA 和 CAE 協同分析。這也是 Hexagon D&E ( MSC Software) 加入 EDA 公司 Cadence 之後，機構模擬和電子設計逐漸走向整合的系統設計與分析的架構。
從 CAx 走向數位雙生（Digital Twin）
從 1950 年代的數控銑床、1963 年的 Sketchpad，到今天會自己長出形狀的生成式設計，CAx 家族的目標或者說優勢始終沒變，就是讓錯誤發生在電腦裡，而不是發生在產出實體產品之後。下次騎上腳踏車時，不妨想想，它在變成實體之前，已經在電腦裡被畫過、摔過、切削過好幾次了。
看到這裡，你是否已經了解 CAx 的工作了呢？CAx 的工作似乎到產品出廠那一刻就停了，這幾年有一個新的名詞 – 數位雙生（Digital Twin），則把這條流水線延伸到產品的整個使用期間。
什麼是數位雙生？
數位雙生是一個和真實產品「同步」的虛擬模型。實體產品身上的感測器持續回傳數據，例如受力、溫度、振動、使用次數，電腦裡的模型就跟著更新，隨時反映這個產品現在的狀態，甚至預測它接下來會發生什麼事。
如果腳踏車也有數位分身
想像一台裝了感測器的電動腳踏車：它每天回傳騎了多遠、過了幾次坑洞、馬達溫度多高。這些數據送進 CAE 模型後，就能推算車架累積了多少疲勞損傷，在真的出現裂紋之前提醒車主保養；換成一整個共享單車車隊，營運商也能依照每台車的實際狀況安排維修，而不是一律照固定週期檢查。
需要整個 CAx 家族
數位雙生不是一套新軟體，是把整個 CAx 家族串起來使用才能達到的成果：
- CAD 提供精確的幾何模型
- CAE 提供能預測應力、疲勞和溫度的物理模型
- AI 代理模型讓預測快到可以即時跟上感測數據，例如 Adams Real Time 這類即時模擬技術
- PLM／SPDM 管理每一台產品的資料和版本
更重要的是，真實世界的數據會回到下一代產品的 CAD 和 CAE，讓設計越來越貼近使用者實際的騎法。從設計、驗證、製造一路延伸到使用和維修，虛擬和實體從此一起變化，才說是「雙生仔」。
常見問題
A：依分析類型而定。結構分析常用 MSC Nastran、Marc；流體與熱傳有 Cradle CFD；機構動力學有 Adams；聲學有 Actran；前後處理則有 Patran、ANSA、META 等。各軟體的介紹可以在本站「軟體&服務」分類找到。
A：CAE 工程師（也常稱為模擬分析工程師）負責把實際的工程問題轉成模擬模型：建立網格、設定材料和邊界條件、執行分析、解讀結果，再向設計團隊提出改善建議。他們通常也要和實驗單位合作，用實測數據確認模型的準確度。想找相關職缺，可以參考本站的 CAE 徵才佈告欄。
參考資料
- NASA, “Computerized Engineering,” Spinoff 1998. https://ntrs.nasa.gov/citations/20020064804
- Caltech ME100, “Caltech’s Role in NASTRAN.” https://me100.caltech.edu/history/nastran.htm
- Cutting Tool Engineering, NC 50 週年特刊（2008）. https://ctemag.com/sites/www.ctemag.com/files/archive_pdf/0508-50anniversary.pdf
- David C. Brock, “The Tremendous VR and CG Systems—of the 1960s,” IEEE Spectrum, 2023. https://spectrum.ieee.org/sketchpad
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