Reference : 劉晉奇. 製造業產品研發如何導入CAE. 電腦繪圖與設計雜誌 (CADesigner雜誌), No.164, 116-122 , 2001.
這是2001年寫的文章, 那時, 我剛離開虎門科技的 CAE engineer 職位, 為成大博士班的新生. 離開了極度繁忙的工程師生活, 深夜裡, 回想了很多事, 於是寫了這篇文章投稿到雜誌上.
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製造業產品研發如何導入CAE ?
( 圖. 文 劉晉奇 )
1. 前言
CAE是指Computer-Aided Engineering的縮寫，中文稱為 "電腦輔助工程"，關於CAE的資訊
，請參閱相關資料或筆者之另一篇文章[註1]。而本文之 "導入CAE" 主要是指 "導入CAE套
裝軟體"。
在圖1所示之製造業電子產品設計流程中，CAE 的貢獻在於它可以在產品製造前，先藉由CAD/CAE
整合系統所建構出之虛擬原型機(virtual prototype)[註2]來模擬，預測其物理特性，確認
可行後再製作實際原型機(true prototype)來測試性能，通過試驗規格後產品便可試產和量
產上市。
近年來，在面對中國大陸強大的低勞力成本衝擊下，台灣之製造成本已不如大陸低廉，我們必
須提升自己的創新能力與研發能量，才能生存。要提升研發能量，CAE是一項不可或缺的強大
工具，CAE在美日各國之產品研發已行之有年，但在我國製造業尚不若美日普及，因此CAE是值
得我們發揮的地方。我國的學術界(大學、科技大學、技術學院等)和工程顧問單位(如工研院、
金屬中心、高速電腦中心、私人顧問公司、CAE軟體公司等)之CAE能力非常成熟，不論自行發展
程式，或是CAE軟體的應用，都累積了相當豐富的經驗。因此，要達成台灣製造業CAE的普遍化，
只要產官學界合作，充份運用現有人才，便可達到事半功倍的效果。
筆者在這幾年的工作經驗中，欣見國內許多企業成功應用CAE，解決了許多工程問題，亦看到許
多公司的研發主管積極評估導入CAE，這些都是很好的現象。但相對的，也了解到大部份想投入
CAE的研發主管，必須負成敗之責，而主管們最擔心的莫過於幾點: (1)CAE難入門，(2)很難招
募到專業之CAE工程師，(3)現有研發工程師短期內不易轉型為CAE工程師，(4)已培養完成之CAE
工程師卻離職，(5)CAE導入失敗。筆者針對這幾點問題，提出了一些看法。本文的內容主要探
討一個企業如何導入CAE於研發過程，如何避免失敗，以及如何以合適的心情來面對CAE。由於筆
者所學有限，本文討論範圍只著重於固體力學之CAE，文中亦夾帶了很多筆者的偏見，希望各界
先進多予以本文批評與指教。
2. CAE具有知識門檻
一個工程師若要操作CAE，他必須具有CAE的知識基礎，舉例來說，要分析產品結構的強度是否足
夠，就必須做CAE的線彈性應力分析(linear-elastic stress analysis)，工程師可以不必詳細了解
CAE數值近似法之有限元素理論(finite element method, FEM)，但他一定要知道以下這些材料力
學物理量與名詞的意義:位移、應變、應力、強度、虎克定律、楊氏模數(Young's modulus)、普
松比(Poisson's ratio)、邊界條件等，否則，工程師便無法操作CAE，因為他既不曉得如何加入
材料係數與邊界條件，也不知道計算結果如何判讀，更不知道答案合不合理了。以線彈性應力分
析之CAE來說，筆者認為其基礎知識為材料力學，工程師必須以此科目的物理觀念來執行CAE，此
外若工程師擁有彈性力學和有限元素法的學習經驗，更是如虎添翼。
一個沒有CAE經驗的工程師，能否入門成為CAE專業人才﹖答案是肯定的，不過，工程師一定要有
相關的專業知識，例如若要踏入應力分析CAE，就必須具有機械工程科系的力學知識。以線彈性
應力分析之CAE軟體來說，工程師若是機械工程科系背景，只要將應用力學和材料力學複習完，
再經一系列的CAE軟體操作訓練，即可上手。最後再累積實戰經驗，配合CAE前輩或專家的指導，
便能成為一個CAE工程師。其他方面的CAE(如塑膠射出成型模擬)亦是同理。不過，CAE種類繁多，
每種都有其所需的知識基礎，且隔行如隔山，許多更專業的CAE領域不易入門，如非線性應力分
析和撞擊分析等，要執行這類分析就必須尋求較專業的CAE人才了，或是與學術界或工程顧問界
合作。當然，對於較專業深入的CAE領域，若一個CAE新手已擁有相關學理基礎，或是勤奮自修，
仍然可以入門成為專家。
目前許多CAE軟體公司，除了繼續加強固有之主力軟體功能外，也紛紛推出較容易操作與入門的
CAE軟體，即使無CAE背景的人也能操作，這是值得慶幸的。這類軟體的主要特色是: (1)軟體定
位上，是適合無CAE經驗的CAD工程師使用。(2)幾乎是精靈式(wizard)的介面，容易上手。(3)軟
體自動化能力強，使用者不必傷太多腦筋。(4)與3D CAD軟體整合密切，甚至一定要搭配CAD軟體
才能工作，或為同一家公司出品的CAD/CAE系統。以上這類型CAE軟體使得CAE更加普遍化，使得
CAE不再是一項高深莫測的技術。不過，筆者仍然認為，即使它這麼容易操作，使用者還是得複
習相關的教科書，否則，就算是得到分析結果，也可能因物理觀念不對而得到錯誤答案，自己卻
不知道有誤。此外，這類CAE軟體通常無法處理比較進階複雜的問題，因此，許多題型仍然需要
使用專業的CAE軟體來分析。
可見，在製造業的研發領域，一個新手要入門CAE是很辛苦的，因為不僅要勤讀教科書、看資料、
學軟體，還要絞盡腦汁思考，亦要忍受工作壓力。我們必須了解，沒有CAE的知識基礎，就無法
踏入CAE。
此外，有CAE經驗的人也會遇到知識門檻。例如一個具有應力分析經驗的工程師，當他面對振動
問題時，一開始也會束手無策，直到花時間去閱讀振動學教科書與CAE軟體使用手冊後，才能進
入狀況。然而，就算同樣是應力分析CAE問題，也可能有知識門檻，例如一個熟悉電子連接器應
力分析的工程師，突然轉行去分析飛機結構的應力分析，他必須花時間去了解新問題的相關知識
，且剖析新問題的CAE技巧，才能上手。
3. 導入CAE與導入3D CAD大不相同
由上一節文章，我們了解到CAE有其知識門檻，而且一個新手要入門CAE是很辛苦的。相對的，3D
CAD就不同。要學習3D CAD軟體，只要有圖學和工程製圖的基本觀念即可，也就是說，只要懂繪
圖、幾何性質、投影、立體概念，入門3D CAD就無太大問題(當然，技術高低是靠各人修行)。若
工程師再花時間練習軟體及累積實戰經驗，即可對3D CAD得心應手。甚至，非工程背景的人員亦
能投入製造業之3D CAD。所以，一個企業的研發部門導入3D CAD較導入CAE來得容易，幾乎所有
工程師都能訓練成為3D CAD工程師，因為學習3D CAD軟體重點在於操作技巧，不需要去了解電腦
圖學(computer graphics)與3D實體模型(solid modeling)的數學理論，除了可能要複習製圖學外，
幾乎不需要唸教科書。當然，3D CAD也不是很容易的，例如一些實體建模技巧，或是CAD/CAM整
合，都具有高度的技術性。
導入CAE是無法像3D CAD快速的，要看到CAE的開花結果，絕對要花時間去培養能量，不能以3D
CAD的技術經驗來評斷CAE。
經歷了上一波的3D CAD/CAM熱潮，台灣製造業的3D CAD/CAM已相當成熟，也藉由3D CAD的便利性
，拿到了許多國外大廠的OEM和ODM訂單。下一波的技術方向，製造業可以往CAE前進，以CAE分析
來證明台灣的研發能力與產品品質。
4. CAD與CAE整合
整合CAD/CAE可以節省很多時間，已有的2D和3D CAD圖檔，可直接將其外形轉入CAE軟體分析，不
必於CAE軟體再建構一次幾何外形。一般CAD系統是以公司現有的軟體為主，而新加入的CAE則外掛
一個介面軟體，做為檔案轉換的工具，如圖2的流程。CAD/CAE轉換圖檔一般是使用IGES檔案，有
的CAE軟體則提供特定的CAD軟體圖檔介面。此外，市面上亦有很多同一家公司發展的CAD/CAE系統
，軟體同時有3D CAD和CAE功能，便不需要介面軟體，不會有CAD/CAE轉檔的麻煩。
以筆者的有限元素CAE實際經驗來講，CAD檔案轉入CAE軟體的過程，時常不如想像中順利，有時會
遇到圖檔不能轉換，有時當檔案轉完後，會在CAE軟體發現CAD模型有破洞或雜亂線條，導致無法
切割元素做分析。解決方法通常是回到CAD軟體重新定義幾何性質，再多試幾次轉檔，或是使用
CAE軟體之幾何修補功能，修正出可以切割元素之外形。CAD/CAE整合的功能，是各CAE軟體公司互
相較勁的一個主要項目，讀者可仔細評估各家軟體的優缺點，慎選一個適合自己的工具。
此外CAD/CAE整合也可依個人習慣增減其比重，譬如只抓出CAD模型的某些座標點，用來轉入CAE，
再於CAE軟體中根據點之座標來建構外形。有的工程師則捨棄CAD與轉檔步驟，將外形建構與物理
分析全部交由CAE軟體來完成。
5. 導入CAE的一些困難
前面文章曾提到幾個導入CAE可能遭遇的困難點: (1)CAE難入門，(2)很難招募到專業之CAE工程師
，(3)現有研發工程師短期內不易轉型為CAE工程師，(4)已培養完成之CAE工程師卻離職，(5)CAE
導入失敗。第1到3點是CAE專業人才徵才的問題，第4點與公司的員工福利、發展前景、主管之領
導管理有關，第5點則是由第1到4點所造成之結果。以上種種問題，使得許多主管在評估是否投入
CAE時，變成 "既期待又怕受傷害"，因而猶豫不決。
首先來探討CAE專業人才徵才的問題。筆者認為一個人若包含下列條件其中之一，就有潛力成為 "
CAE專業人才"﹕
(1) 具有工業界或學術界相關的CAE實戰工作經驗。
(2) 在學校曾執行過相關的CAE研究論文。
(3) 在學校曾執行過相關的CAE作業與報告。
(4) 在學校修過相關的基礎課程與CAE課程。
以上各點均基於 "有CAE經驗與基礎" 之考量來定義。若是找到符合第1點的人選，即為有豐富CAE
經驗的工程師，研發部門便可在最短時間內導入CAE，此人更可成為CAE的種子教官。若找到的人
選符合第2到4點其中之一，則必須給予相關的CAE實際工作磨鍊，培養為CAE專業人才，為公司服
務。當然，讀者可自行改變以上的定義，放寬或縮小定義範圍均可。
在公司現有的工程師團隊中，若能找到符合以上4點條件之一的人最好，若沒有，則必須再對外徵
人。依筆者和一些工業界朋友的經驗，CAE專業人才有時真的不好找，而這種情形在中小企業和傳
統機械業尤其嚴重。若您的公司遇到這種情況，就必須由現有團隊選出CAE種子工程師，加以培養
為CAE專業人才。在第2節的文章也提過，一個沒有CAE經驗的工程師，是可以入門成為CAE專業人
才的，但這種情況會比較辛苦，而且成功與否，是視各人學習狀況與學理基礎而定。不過，研發
主管若無把握成功，則可參考下一節文章介紹的CAE導入方式。
前段所提到關於徵不到CAE人才的問題，相信若公司提供優厚的福利，加上公司的重用，仍然可找
到人才。而這種徵才問題，似乎比較不會發生在許多半導體和電子產業，原因可能是公司對員工
之股票分紅，十分吸引人前往就業。此外，一個公司的員工福利、發展前景、主管領導管理等因
素若完善，讓員工有成就感，則培養完成之CAE人才也較不易離職。不過這種 "人的因素" 不易掌
握，沒有絕對的答案。
總之，公司導入CAE會遇到的所有困難點，均可歸咎於CAE的知識門檻，而能不能掌握到CAE知識技
術，又決定於公司是否能徵求到擁有CAE知識的人。
6. 製造業導入CAE 的方式
(1) 與學術界或工程顧問單位合作
這種方法即企業本身沒有CAE部門，所有CAE分析全以計畫案(project)方式，外包給學術界或工程
顧問單位負責，最後，企業根據計畫案CAE分析的建議來達到設計目的。一般來說，企業若擔心上
一章節所提的種種因素可能導致CAE導入失敗，可以採用本方法來實現CAE，完成圖1所示之產品設
計流程。
採用本方法，若企業研發單位沒有CAE人才，公司本身將無法踏入CAE的世界，無法與計畫執行單
位討論CAE，只能單向接受CAE分析的結果。此外，因為執行CAE的人並非公司員工，研發主管也不
容易控制計畫的執行進度。當然，本法也有許多好處，它除了不必讓人煩惱CAE人才問題外，公司
亦可節省一筆購買CAE軟硬體的經費與人事成本。不過，有時多項計畫案的花費總額，可能就等於
一套CAE軟體的價錢。
若一個公司需要CAE卻苦於找不到人才，將CAE分析以計畫案外包給學術界或工程顧問單位執行，
是最可行的方式。
(2) 自行建立CAE部門
公司自行成立CAE部門，首重於CAE人才的招募，建立CAE技術團隊。若解決了人才問題，剩下要努
力的，就是CAE技術的發展與累積。
CAE部門在公司產品研發流程中的角色，位於圖1的 "CAE分析" 一項。以電子產品的機械結構設計
(業界一般稱為機構設計)來說，研發部門可區分為CAD部門和CAE部門，前者負責產品結構的幾何尺
寸設計，後者專於CAE分析，兩者搭配成為一個CAD/CAE整合團隊，負責虛擬原型機的建構與分析，
組織如圖3。另一種方法可將CAD與CAE部門混合，不作區分，工程師們均熟練CAD與CAE軟體，互相
支援提攜，但每個人仍有其主要之專長工作，組織如圖4所示。若執行圖3之CAD與CAE區分，工程師
可專業分工，任務單純化，但CAD工程師將無法涉獵CAE技術，CAE工程師的角色亦可能淪為設計後
段的 "品管人員"，只須確認CAD設計合格與否，卻因無法參與原始設計而沒有成就感。相對的，
若執行圖4之CAD/CAE混合編組，每位工程師仍可專精於CAD或CAE，專於CAD的人員可經由部門內
部訓練，成為CAE專才，而專於CAE的人員，亦可學習CAD且參與某些產品之原始幾何設計。圖4方式的最佳狀況，就是每位工程師均成為CAD/CAE工程師，不過，此編制無法讓任務單純化，也可能會有效果不彰的情形。
除了上述的兩種方式，CAE部門在公司內部亦可獨立為一個單位，不屬於研發部門管轄，如圖5。它
可自行作基礎研究，例如協助公司開發前瞻性的產品，亦可以計畫案方式，接受公司內部各研發單
位的委託，幫忙做CAE個案分析。
(3) 自立CAE部門與合作計畫案同時進行
公司雖然建立CAE部門，有時也會因人員不足、任務太忙或遭遇技術瓶頸，必須尋求外援，這時也
可用CAE計畫案方式，請學術界或工程顧問單位來執行分析，最後再由公司之CAE部門接收分析結果
與轉移之技術。這類計畫案之合作方式，有助於企業CAE部門的快速進展，因為透過學校或工程顧
問界的CAE專家指導，可省去自我摸索所花費的時間，也可得到最正確的CAE技術。
7. 如何面對CAE 的導入?
公司內部一個全新的CAE部門，其最大的壓力來自於直屬上司與其他同仁的期望，舉例來說，負責
CAE的主管必須在期限內提出成果，如CAE是否改善了幾年來無法解決的破損問題，或CAE是否幫助
公司縮短設計時間等等。公司花錢做CAE，最重要是要看到績效，否則便浪費了投資的成本。
面對以上的壓力，CAE主管與工程師們當然是全力以赴，以期拿出漂亮的成果。同時，公司高層也
必須了解執行CAE的辛苦、困難與其知識門檻等，這些因素使得CAE不是短期內就能開花結果，因
此必須給予CAE新團隊一些時間來摸索，不要因為無法立即看到成效就輕視CAE，應把CAE當做一項
長期性計畫與投資。
CAE也非萬能，不是每項問題均能應用CAE來解決。CAE只是一項設計工具，最重要的還是操作CAE
的 "人" ，透過物理觀念紮實且具經驗的CAE工程師，CAE可以成為強大的輔助設計工具，為公司
創造更好的產品。若工程師的學理和實務經驗不足，CAE也不能發揮它應有的功效。
8. 結論
一個公司導入CAE是一項辛苦的差事，尤其是孤軍奮戰。筆者認為，不論公司之CAE部門成立與否
，藉由與學術界或工程顧問單位之合作案，可達事半功倍的效果，將導入CAE之失敗風險降到最低
。最好的方式是公司自己建立CAE部門，且與CAE專家合作，將CAE技術轉移進來，解決產品研發上
的問題。本文最後必須再強調一點，CAE軟體的自動化與易用性，並非企業導入CAE的第一考量，而工程師是否具備CAE的相關學理基礎才是最重要的。電腦和軟體都是僵硬的，它們並不會思考，若工程師不當應用CAE軟體而導致錯誤設計，可能會造成企業的損失，甚至危害人們安全。唯有基本學理紮實的工程師，才能活用CAE這項工具，做出最正確的工程判斷。此外，我們也不能過度迷信CAE軟體和電腦的優點，它們只是輔助設計的工具，並非萬能。在美國的土木結構工程界，過度依賴電腦和FEM軟體計算的情形，也使學者憂心而提出建言[註3]，這值得我們警惕。
此外，製造業工程師在初次接觸CAE時，必須找到您在CAE方面的良師益友，以便有人可諮詢，以
免物理觀念和建模程序發生錯誤。同時，研讀相關的書籍也是必經之路，雖然痛苦，但唯有如此才
能突破CAE的知識門檻。
很多事情表面上看來單純，等到實地去做，才知道有那些困難需要解決，當然，執行CAE也不例外。
本文盡量以客觀角度來說明導入CAE會發生的問題，及其解決對策。當然，CAE有太多內容，本文
無法一一敘述，只能提到一小部份而無法綜觀全局。文中筆者不免加入許多個人偏見，若有錯誤
敬請來信指導。
9. 備註
(1) 劉晉奇，"如何進入CAE的世界"，CADesigner雜誌，2001年9月。
(2) Virtual prototype 一詞之相關概念可參考 http://www.adams.com 或其他網站。
(3) L.Z. Emkin，"結構工程師對計算機的濫用 - 一個清楚而現實的危險"，力學與實踐，
1999年第21卷第5期。( 這是中國大陸的期刊，"計算機" 即 "電腦"。該文譯自 Conference
proceeding of the first structural engineers world conference, SEWC'98, San
Francisco, CA, USA, July 19~23, 1998。 )
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