王彬文，段世慧，聶小華，郭瑜超

中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065

航空結(jié)構(gòu)分析CAE(Computer Aided Engineering)軟件(后面簡(jiǎn)稱為CAE軟件)作為航空裝備研制過(guò)程中不可或缺的工具之一，已經(jīng)融入到航空裝備設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和服役等全生命周期中，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化、響應(yīng)分析、工藝仿真、強(qiáng)度評(píng)估和修理方案評(píng)價(jià)等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，用于解決裝備研制過(guò)程中面臨的結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題。

CAE軟件是裝備研制的根本保障。目前，中國(guó)航空裝備進(jìn)入可全面自主研制的快速發(fā)展階段，CAE軟件對(duì)于提升裝備性能、縮短研制周期、降低研制成本起到了關(guān)鍵作用。以航空裝備研制為例，在飛行器的概念設(shè)計(jì)階段需要建立結(jié)構(gòu)的低保真度數(shù)字模型，進(jìn)行靜強(qiáng)度和氣動(dòng)彈性的分析，得到結(jié)構(gòu)的傳力路徑，為結(jié)構(gòu)方案選型提供依據(jù)。在初步設(shè)計(jì)階段需要建立中等保真度模型，進(jìn)行靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度、氣動(dòng)彈性、疲勞強(qiáng)度和優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定基本尺寸分布。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要建立高保真度模型，進(jìn)行關(guān)鍵區(qū)域連接強(qiáng)度、細(xì)節(jié)疲勞壽命和工藝符合性分析。在試驗(yàn)驗(yàn)證階段需要建立虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行虛擬加載和虛擬測(cè)量，預(yù)估試驗(yàn)中出現(xiàn)的各種情況。在制造裝配階段需要建立超差和裝配數(shù)字模型，來(lái)保證加工和大部件對(duì)接的精度。在試飛服役階段需要建立虛擬試飛模型，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)模擬和關(guān)鍵部位壽命評(píng)估。上述模型的建立與分析均需依賴CAE軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

CAE軟件是進(jìn)行創(chuàng)新技術(shù)研究和攻關(guān)的重要工具。數(shù)值模擬與理論研究、物理實(shí)驗(yàn)并稱“創(chuàng)新三架馬車”，CAE軟件作為重要的數(shù)值模擬工具，可以輔助科學(xué)家、工程師揭示物理實(shí)驗(yàn)手段尚不能揭示或很難揭示的科學(xué)規(guī)律。此外，CAE軟件還可為新材料和微結(jié)構(gòu)(納米材料、碳纖維)設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)(仿生結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)、新技術(shù)(虛擬試驗(yàn)技術(shù))研究提供可靠的依托平臺(tái)。

CAE軟件是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵支撐。在數(shù)字化方面，CAE軟件是未來(lái)航空裝備仿真模型校核與驗(yàn)證(V&V)及數(shù)字化驗(yàn)證流程中的基礎(chǔ)手段；在網(wǎng)絡(luò)化方面，CAE軟件是實(shí)現(xiàn)未來(lái)“5G+制造”的關(guān)鍵工具，通過(guò)未來(lái)軟件提供的云仿真、模型修正、數(shù)據(jù)擬合、可信度分析等技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的全狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集和結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)評(píng)估，支撐智能制造的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)；在智能化方面，CAE軟件通過(guò)構(gòu)建系列包含智能特征的數(shù)字化模型，建立物理空間與數(shù)字空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映射和反饋預(yù)測(cè)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)智能匹配、實(shí)時(shí)智能判據(jù)和智能預(yù)警，支撐工業(yè)制造中的智能化特征轉(zhuǎn)型。

自主CAE軟件是實(shí)現(xiàn)裝備研制自主可控的必要手段。目前中國(guó)航空裝備研制所使用的CAE軟件，絕大部分依賴進(jìn)口，整體對(duì)外依存度較高；國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的CAE軟件，在功能覆蓋性、分析規(guī)模和效率、架構(gòu)開放性和應(yīng)用可靠性方面與國(guó)外還存在一定差距，無(wú)法完全替代國(guó)外軟件，一旦遭到國(guó)外全面封鎖，中國(guó)裝備研制面臨著技術(shù)停滯的巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外，CAE軟件是工業(yè)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的載體，完全依賴國(guó)外軟件無(wú)法將中國(guó)裝備研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)、大量工業(yè)數(shù)據(jù)與知識(shí)積累到軟件中，造成大量浪費(fèi)，不利于持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新。未來(lái)，中國(guó)將進(jìn)入航空裝備全面創(chuàng)新研制的新時(shí)代，實(shí)現(xiàn)CAE軟件的自主可控，對(duì)推動(dòng)裝備創(chuàng)新升級(jí)和保障裝備研制體系安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 國(guó)內(nèi)外CAE軟件發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展歷程

CAE軟件誕生于航空航天裝備的研制過(guò)程中，在國(guó)外的發(fā)展大致分為軍工驅(qū)動(dòng)、持續(xù)支持、市場(chǎng)推進(jìn)、重組壯大4個(gè)階段。

1) 軍工驅(qū)動(dòng)(1960—1980年)

1956年，美國(guó)波音公司Turner等專家為飛機(jī)研制開發(fā)了一套內(nèi)部有限元程序，用于翼面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算，開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)分析CAE軟件的先河。1966年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)為滿足阿波羅登月項(xiàng)目中對(duì)結(jié)構(gòu)分析的迫切需要(如圖1所示)，組織開發(fā)了第一個(gè)工程實(shí)用的通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件NASTRAN(NASA Structurla Analysis)，用于計(jì)算不具有可試驗(yàn)性的飛行器結(jié)構(gòu)。1969年，NASA推出其第一個(gè)NASTRAN版本，即NASTRAN Level 12。在登月計(jì)劃完成后，為了滿足美國(guó)的市場(chǎng)戰(zhàn)略需求，美國(guó)政府將NASTRAN的源代碼在美國(guó)公開，MSC公司被指定為NASTRAN的維護(hù)商。1969年，美國(guó)John Swanson博士開發(fā)STASYS (Structural Analysis SYStem)軟件，可計(jì)算核子反應(yīng)火箭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，后發(fā)展為商用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS。1972年，David Hibbitt在其博士論文研究(這期間他和他的導(dǎo)師開發(fā)了非線性有限元軟件MARC)的基礎(chǔ)上開始編寫ABAQUS。他的第一個(gè)客戶是美國(guó)西屋核電公司，軟件可計(jì)算核反應(yīng)堆中核燃料棒的接觸、蠕變和松弛等問(wèn)題。1974年，美國(guó)通用動(dòng)力為解決機(jī)翼的氣動(dòng)彈性問(wèn)題，研發(fā)TSO軟件，具備機(jī)翼氣動(dòng)彈性綜合設(shè)計(jì)能力。1976年美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Hallquist主持開發(fā)了LS-DYNA的研制，主要目的是為武器設(shè)計(jì)提供高速碰撞、爆炸等分析工具。DYNA程序首先被法國(guó)ESI公司商業(yè)化，命名為PAM-CRASH。1980年，美國(guó)空軍懷特實(shí)驗(yàn)室為解決X系列飛行器超重問(wèn)題，研發(fā)ASTROS軟件，具備多學(xué)科分析和設(shè)計(jì)能力。

圖1 NASTRAN起源于裝備研制[29]Fig.1 NASTRAN originates from equipment development[29]

從國(guó)外先進(jìn)結(jié)構(gòu)分析軟件的發(fā)展起源可以發(fā)現(xiàn)，早期的研發(fā)需求大多來(lái)源于航空、航天等高端裝備的研制，具備鮮明的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

2) 持續(xù)支持(1980—2000年)

在國(guó)家戰(zhàn)略層面，美國(guó)一直把科學(xué)計(jì)算和建模仿真作為服務(wù)于國(guó)家利益的關(guān)鍵技術(shù)，美國(guó)“競(jìng)爭(zhēng)力委員會(huì)”白皮書《美國(guó)制造業(yè)——依靠建模和模擬保持全球領(lǐng)導(dǎo)地位》，將建模、模擬和分析，視為維系美國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力戰(zhàn)略的王牌，通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件也是美國(guó)重點(diǎn)支持的方向之一(如圖2所示)。

圖2 美國(guó)國(guó)家機(jī)構(gòu)制定的研究計(jì)劃[40-41]Fig.2 Research plans made by the national institutions of USA[40-41]

1983年美國(guó)在“拉克斯報(bào)告”中強(qiáng)調(diào)，科學(xué)計(jì)算是關(guān)系到國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是事關(guān)國(guó)家命脈的大事；1984年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)成立“先進(jìn)科學(xué)計(jì)算辦公室”全面指定高級(jí)計(jì)算科學(xué)發(fā)展規(guī)劃；1987年NSF把“科學(xué)與工程計(jì)算”作為三大重點(diǎn)支持領(lǐng)域之一；1991年“高性能計(jì)算與通訊HPCC”計(jì)劃旨在探索采用計(jì)算方法解決科學(xué)與工程中的重大挑戰(zhàn)，投資重點(diǎn)為先進(jìn)軟件技術(shù)與并行算法；1995年美國(guó)實(shí)施“加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新計(jì)劃ASCI”，致力于開發(fā)高級(jí)應(yīng)用軟件，建立解決問(wèn)題的環(huán)境；1995年10月美國(guó)國(guó)防部制定了一項(xiàng)《國(guó)防部建模與仿真主計(jì)劃》為基于仿真的采辦提供了框架和基礎(chǔ)設(shè)施；2004年總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)報(bào)告指出，對(duì)數(shù)學(xué)和計(jì)算科學(xué)算法的持續(xù)開發(fā)和改進(jìn)是未來(lái)高端體系成功的關(guān)鍵；2005年總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)指出“為確保美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力，計(jì)算科學(xué)已成為科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)家安全的關(guān)鍵”。

通過(guò)系列國(guó)家計(jì)劃和支持，CAE軟件與裝備的發(fā)展得到了天然的融合，國(guó)外CAE軟件在這一時(shí)期得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。以美國(guó)NASTRAN軟件為例，MSC公司于1988年加入了新的單元庫(kù)、增強(qiáng)了程序功能提高了運(yùn)算精度和效率，特別對(duì)矩陣運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)；1989年形成了新的執(zhí)行系統(tǒng)、高效的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、更易理解的DMAP二次開發(fā)手段；1994年在優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱分析、非線性、單元庫(kù)、數(shù)值計(jì)算方法及整體性能水平方面有了很大提高。之后在非線性、梁?jiǎn)卧獛?kù)、h-p單元混合自適應(yīng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)值方法及整體性能水平方面均進(jìn)行了改進(jìn)和增強(qiáng)。

3) 市場(chǎng)推進(jìn)(2000—2010年)

隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜性和成本不斷增加，產(chǎn)品的性能、價(jià)格和研發(fā)周期面臨著更多的挑戰(zhàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件提出了大量的需求。在旺盛的工業(yè)市場(chǎng)需求推動(dòng)下，美國(guó)、法國(guó)等西方國(guó)家大量的結(jié)構(gòu)分析通用/專用軟件通過(guò)各種商業(yè)手段涌向市場(chǎng)，迅速占據(jù)了國(guó)內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域。除了常規(guī)的結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬之外，已經(jīng)擴(kuò)展到對(duì)產(chǎn)品未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為的模擬仿真，可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

這個(gè)階段CAE軟件已經(jīng)深度融入工業(yè)產(chǎn)品的全生命周期中，成為研制先進(jìn)產(chǎn)品的必備工具之一。這個(gè)階段推進(jìn)了CAE軟件在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，但也暴露出多個(gè)軟件架構(gòu)/模型/數(shù)據(jù)不統(tǒng)一等弊端。

4) 重組壯大(2010年至今)

在數(shù)字化研發(fā)模式驅(qū)動(dòng)下，國(guó)外商業(yè)公司加快了一體化、平臺(tái)化軟件系統(tǒng)融合的步伐，通過(guò)商業(yè)手段進(jìn)行大量的收購(gòu)與兼并。在統(tǒng)一軟件架構(gòu)下，以產(chǎn)品全生命周期為應(yīng)用場(chǎng)景，整合與吸納各類功能軟件，形成體系龐大、功能完善的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)。

以MSC公司為例，1989年通過(guò)兼并荷蘭PISCES而進(jìn)入高度非線性分析市場(chǎng)；1998年兼并2D和3D運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件的開發(fā)者Knowledge Revolution公司；1999年收購(gòu)了商業(yè)非線性有限元程序MARC；2002年，收購(gòu)世界著名虛擬樣機(jī)仿真軟件MDI公司，動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS被收入囊中；同年收購(gòu)波音公司的Easy5軟件；2011年和2012年，分別收購(gòu)了比利時(shí)著名的聲學(xué)軟件公司FFT(自由聲場(chǎng)技術(shù))公司和高端材料仿真領(lǐng)域廠商e-Xstream；2016年收購(gòu)焊接與成型仿真領(lǐng)軍企業(yè)Simufact；但在2017年，MSC被與結(jié)構(gòu)分析軟件關(guān)聯(lián)度極低的瑞典著名測(cè)量設(shè)備制造企業(yè)海克斯康收購(gòu)，如圖3所示。

圖3 Hexagon/MSC軟件兼并路線圖[39]Fig.3 Software merger roadmap of Hexagon/MSC[39]

2000年開始，ANSYS進(jìn)行了一系列收購(gòu)，包括：ICEM CFD Engineering、法國(guó)的CADOE。2003年，ANSYS公司收購(gòu)AEA公司的CFX軟件業(yè)務(wù)。2006年，ANSYS公司已成功完成對(duì)Fluent的收購(gòu)活動(dòng)。同年ANSYS又收購(gòu)了Century Dynamics公司，將高速瞬態(tài)動(dòng)力分析軟件納入到ANSYS的分析體系中。2019年，ANSYS公司再次收購(gòu)沖擊分析軟件DYNA，不斷擴(kuò)大其產(chǎn)品線。

2005年，達(dá)索公司收購(gòu)ABAQUS軟件，并創(chuàng)建SIMULIA品牌，建立了功能仿真的核心平臺(tái)。2006達(dá)索收購(gòu)瑞典的工程仿真環(huán)境開發(fā)商Dynasim AB，獲得建模語(yǔ)言Modelica。2008年達(dá)索收購(gòu)Engineous公司，獲得了集成設(shè)計(jì)和多學(xué)科優(yōu)化軟件Isight，增強(qiáng)了其在仿真生命周期(SLM)對(duì)數(shù)據(jù)、過(guò)程、工具和知識(shí)產(chǎn)權(quán)集成優(yōu)化的能力。近年又陸續(xù)收購(gòu)塑料注塑仿真技術(shù)Simpoe、多體仿真SimPACK、高度動(dòng)態(tài)流體場(chǎng)仿真領(lǐng)域Next Limit Dynamics等軟件。

從國(guó)外CAE軟件發(fā)展的歷程來(lái)看，CAE軟件的本質(zhì)是具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)技術(shù)，而非一般意義上的軟件產(chǎn)品。這種核心技術(shù)來(lái)源于裝備研制需要，應(yīng)用于解決裝備研制的問(wèn)題，脫離了本國(guó)工業(yè)實(shí)際情況的CAE軟件無(wú)法形成國(guó)家核心的戰(zhàn)略支撐能力。

1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，美國(guó)、法國(guó)等西方國(guó)家已經(jīng)構(gòu)建了CAE軟件的良好生態(tài)，推出了如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等一批性能先進(jìn)的通用結(jié)構(gòu)分析CAE軟件，并基本壟斷了市場(chǎng)。軟件覆蓋了線性靜力分析、非線性分析、模態(tài)與振動(dòng)分析、顯式動(dòng)力學(xué)分析、氣彈分析、熱分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等通用分析功能，分析精度和可靠性經(jīng)過(guò)大量應(yīng)用驗(yàn)證，并且軟件性能先進(jìn)，形成了成熟的通用分析功能體系，可滿足絕大部分通用結(jié)構(gòu)分析需求。

在專用工具方面，國(guó)外商業(yè)軟件公司圍繞航空行業(yè)特殊需求，研發(fā)了一系列專用分析工具，如概念設(shè)計(jì)階段的布局設(shè)計(jì)軟件AAA、造型及多學(xué)科分析軟件RDS等，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的多尺度分析軟件Digimat、層壓復(fù)材設(shè)計(jì)軟件ESAComp等，制造階段的金屬制造過(guò)程仿真軟件Simufact、鑄造過(guò)程模擬軟件PROCAST等，試驗(yàn)階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟件SmartOffice、試驗(yàn)測(cè)試和FEA關(guān)聯(lián)軟件FEMTools等，服役階段的疲勞分析軟件NCODE、損傷/斷裂分析軟件NASGRO等。系列專用工具已經(jīng)融入到了飛機(jī)裝備研制的全生命周期中，解決了飛機(jī)裝備研制中的特殊關(guān)鍵問(wèn)題，成為航空CAE軟件工具群中不可或缺的核心關(guān)鍵。同時(shí)，國(guó)外各航空巨頭分別結(jié)合自身裝備研制流程和需求，研發(fā)了專用的分析軟件，比較成功的軟件系統(tǒng)如空中客車公司的ISAMI系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于比利時(shí)LMS公司的CAESAM框架，將空客公司的方法庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一集成的工具平臺(tái)，已成功應(yīng)用于A350飛機(jī)設(shè)計(jì)，為型號(hào)研制提供了強(qiáng)有力的支撐。

在數(shù)據(jù)庫(kù)方面，國(guó)外各航空巨頭在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、服役等過(guò)程中積累了海量數(shù)據(jù)，形成了各類專用數(shù)據(jù)庫(kù)，為航空裝備的研制起到了重要的支撐作用，但此類數(shù)據(jù)庫(kù)一般只在企業(yè)內(nèi)部使用，嚴(yán)禁對(duì)外擴(kuò)散。

1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)CAE軟件的起步稍晚于國(guó)外，20世紀(jì)70年代國(guó)內(nèi)自主CAE軟件開始萌芽，從解決行業(yè)的特定問(wèn)題形成的計(jì)算程序起步，逐步形成了比較成體系的CAE軟件。在各種國(guó)外軟件充斥市場(chǎng)的情況下，自主CAE軟件的發(fā)展經(jīng)歷過(guò)一段偉大的實(shí)踐與探索。大致分為艱難起步、遏制沖擊、努力堅(jiān)持、覺(jué)醒突圍4個(gè)階段。

1) 艱難起步(1970—1990年)

國(guó)內(nèi)通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件的雛形從20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)，在硬件條件和科研經(jīng)費(fèi)極為困難的條件下，科研人員用手搖計(jì)算機(jī)和紙帶數(shù)據(jù)錄入，克服了缺人、缺錢、缺資料和缺計(jì)算資源的困難，艱苦創(chuàng)業(yè)，研發(fā)了一批自主CAE軟件，解決了多個(gè)型號(hào)研制的難題。

以航空工業(yè)自主CAE軟件為例，1976—1979年，由623所、631所、605所與628所4個(gè)航空研究所組成的聯(lián)合課題組，共同開發(fā)成功了航空結(jié)構(gòu)線性分析有限元程序系統(tǒng)HAJIF-I，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，開始了航空人自己開發(fā)CAE軟件的歷程。1980—1981年，成功研制了航空結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析系統(tǒng)HAJIF-II，這是航空領(lǐng)域第1個(gè)大型結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析系統(tǒng)，解決了某型號(hào)的顫振分析問(wèn)題，該系統(tǒng)獲航空部二等獎(jiǎng)，并與HAJIF-I合并獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1979—1982年，成功研制了飛機(jī)結(jié)構(gòu)多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)YIDOYU，這是航空領(lǐng)域第1個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，增強(qiáng)了在有限元基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，YIDOYU的機(jī)翼模型數(shù)據(jù)生成能力優(yōu)越、簡(jiǎn)單、實(shí)用，該系統(tǒng)獲航空部一等獎(jiǎng)，并獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1981—1985年，由623所、629所、603所和631所4個(gè)航空研究所組成的聯(lián)合課題組，成功開發(fā)了中國(guó)第1個(gè)大型通用的結(jié)構(gòu)非線性分析系統(tǒng)HAJIF-Ⅲ，該系統(tǒng)的非線性求解策略先進(jìn)，解決了某型號(hào)機(jī)翼彈塑性、穩(wěn)定性分析問(wèn)題，為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，獲得了國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。1989年，在動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)矛盾突出的情況下，成功開發(fā)了“飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)環(huán)境預(yù)計(jì)系統(tǒng)VEP”，該系統(tǒng)獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1990年，為解決某飛行器氣動(dòng)彈性難題，成功研發(fā)“顫振實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)”，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1992年，隨著復(fù)合材料日益得到應(yīng)用，成功開發(fā)了“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化系統(tǒng)COMPASS”，該系統(tǒng)在復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)方面能力強(qiáng)，在多個(gè)型號(hào)研制中得到應(yīng)用，獲中國(guó)航空工業(yè)總公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1990—1995年，成功研制了大型通用有限元結(jié)構(gòu)分析程序系統(tǒng)HAJIF(X)，該系統(tǒng)可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力線性與非線性分析、固有特性分析、動(dòng)力響應(yīng)分析、熱傳導(dǎo)分析、復(fù)合材料分析以及多級(jí)超單元分析。該系統(tǒng)支撐了多個(gè)飛機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)分析，獲航空部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，如圖4所示。

圖4 航空結(jié)構(gòu)CAE分析軟件發(fā)展歷程Fig.4 Development of aviation structural CAE software

在高校和其他研究機(jī)構(gòu)，也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的有限元分析軟件系統(tǒng)。典型的有大連理工大學(xué)研發(fā)的JIGFEX軟件，在工業(yè)部門進(jìn)行了應(yīng)用推廣，用于通訊衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、工程機(jī)械等裝備研制。中國(guó)科學(xué)院計(jì)算數(shù)學(xué)所崔俊芝院士研發(fā)了平面問(wèn)題通用有限元程序，解決了劉家峽大壩的復(fù)雜應(yīng)力分析問(wèn)題。北京大學(xué)的袁明武教授通過(guò)對(duì)國(guó)外的SAP軟件的移植和重大改造，研發(fā)出了SAP-84。除此之外，鄭州機(jī)械研究所的“紫瑞CAE”、建筑科學(xué)研究院“BDP-建筑工程設(shè)計(jì)軟件”、中科院數(shù)學(xué)所的FEPG等軟件也得到了一定的應(yīng)用。

2) 遏制沖擊(1990—2000年)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，大批國(guó)外CAE軟件涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，采用靈活的市場(chǎng)戰(zhàn)略和多種推廣策略逐步占領(lǐng)了中國(guó)市場(chǎng)，遍及國(guó)內(nèi)的各個(gè)行業(yè)，國(guó)內(nèi)自主CAE軟件的生存空間受到強(qiáng)烈擠壓。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)分析軟件的特殊性，既需要基礎(chǔ)研究，又需要代碼研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推廣，在國(guó)家層面缺少持續(xù)的支持，發(fā)展舉步維艱。以至于在20世紀(jì)的最后十幾年，國(guó)內(nèi)自主CAE軟件發(fā)展步伐相對(duì)緩慢，逐漸地拉開了與國(guó)外CAE軟件的差距。

在國(guó)外CAE軟件的沖擊下，航空工業(yè)結(jié)合裝備研制需求，研發(fā)了一系列專用軟件，解決了當(dāng)時(shí)型號(hào)研制的難題。包括：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析程序STRANAS：針對(duì)結(jié)構(gòu)分析后的強(qiáng)度評(píng)估問(wèn)題，采用具有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工程分析方法，具備強(qiáng)度分析方法庫(kù)、材料庫(kù)和型材庫(kù)，可自動(dòng)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)總體分析/細(xì)節(jié)強(qiáng)度校核一體化。飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限及可靠性分析程序ADDRAS：以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，以EIFS和DFR法為主，兼顧其他耐久性分析方法，可滿足國(guó)內(nèi)航空工業(yè)部分結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限分析需求。飛機(jī)結(jié)構(gòu)三維溫度場(chǎng)分析程序ASTSA：主要解決離散結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析問(wèn)題，可以求解連續(xù)體或離散結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。

3) 努力堅(jiān)持(2000—2018年)

2000年以后，國(guó)內(nèi)工業(yè)部門在結(jié)構(gòu)分析CAE軟件領(lǐng)域開始全面依賴進(jìn)口軟件。自主CAE軟件的研發(fā)單位，由于缺乏支持或勢(shì)單力薄，紛紛放棄自主研發(fā)。

以航空工業(yè)為代表的少數(shù)團(tuán)隊(duì)依靠課題研究、專業(yè)軟件定制、橫向服務(wù)等方式保留了軟件研發(fā)隊(duì)伍。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所依靠航空工業(yè)集團(tuán)創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持，并自籌經(jīng)費(fèi)，堅(jiān)持自主CAE軟件研發(fā)，陸續(xù)發(fā)布了HAJIF2013和HAJIF2018版本，不斷提升軟件的規(guī)模、效率、擴(kuò)充了特色功能和工程數(shù)據(jù)庫(kù)，并在大型運(yùn)輸機(jī)、大型客機(jī)、大型水陸兩棲飛機(jī)等型號(hào)的研制中發(fā)揮了重要作用。同時(shí)培養(yǎng)了一支專業(yè)從事計(jì)算力學(xué)研究與CAE軟件研發(fā)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，為進(jìn)一步發(fā)展自主CAE軟件奠定了良好的基礎(chǔ)。

在此期間，國(guó)內(nèi)一些高校和其他研究機(jī)構(gòu)也有一批持續(xù)堅(jiān)持自主CAE軟件研發(fā)的團(tuán)隊(duì)。從2007年開始，中國(guó)工程物理研究院先后與多個(gè)單位合作，研發(fā)了重大裝備工程力學(xué)并行分析軟件平臺(tái)PANDA，具備大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線性靜力學(xué)、模態(tài)與振動(dòng)、沖擊動(dòng)力學(xué)等有限元分析功能。大連理工大學(xué)采用組件和插件軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，基于跨平臺(tái)編程環(huán)境和XML語(yǔ)言開發(fā)了面向工程力學(xué)計(jì)算的SiPESC。

4) 覺(jué)醒突圍(2018年至今)

2018年，美國(guó)總統(tǒng)特朗普簽署對(duì)華“301”報(bào)告，拉開了中美“貿(mào)易戰(zhàn)”的序幕。對(duì)于核心關(guān)鍵高端工業(yè)軟件的控制成為以美國(guó)為首的西方國(guó)家遏制中國(guó)發(fā)展的重要戰(zhàn)略手段之一。按照黨中央關(guān)于“自主開發(fā)大型工業(yè)軟件”指示，結(jié)構(gòu)分析CAE軟件的自主替代提上日程，自主CAE軟件迎來(lái)了飛速發(fā)展的黃金時(shí)間，大量CAE軟件研發(fā)企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，為自主CAE軟件的發(fā)展注入活力。

中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所面對(duì)時(shí)代賦予的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，再次起航，立足于已有CAE軟件研發(fā)基礎(chǔ)，基于國(guó)內(nèi)航空工業(yè)最全的強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，繼承創(chuàng)新，提出了“通用平臺(tái)為基礎(chǔ)，專用軟件為核心，底層數(shù)據(jù)為保障”的自主CAE總體發(fā)展思路，目前已推出了全新的自主CAE軟件SABRE 1.0系統(tǒng)，為自主CAE軟件的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5 SABRE 1.0界面示意圖Fig.5 User interface of SABRE 1.0

1.4 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

SABRE1.0系統(tǒng)初步構(gòu)建了包含通用分析功能群、專用分析工具鏈和國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池的3層CAE軟件體系，如圖6所示。

圖6 SABRE1.0軟件體系Fig.6 Software management system of SABRE1.0

在專用軟件方面，SABRE1.0系統(tǒng)集成了起落架動(dòng)力學(xué)分析軟件、疲勞分析軟件、載荷快速計(jì)算軟件、一致性評(píng)估軟件等部分專用軟件工具，解決了裝備研制流程中的部分特殊問(wèn)題。

在通用平臺(tái)方面，SABRE1.0系統(tǒng)可為航空裝備研制提供精確的結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算手段及結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重手段，包括線性靜力分析、非線性分析、模態(tài)與振動(dòng)分析、氣動(dòng)彈性分析、熱傳導(dǎo)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能，覆蓋國(guó)外商業(yè)軟件的基礎(chǔ)通用分析功能，但分析規(guī)模、效率與國(guó)外商業(yè)軟件還有一定差距。

在數(shù)據(jù)庫(kù)方面，SABRE1.0包含材料性能數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)破壞模式庫(kù)，初步構(gòu)建了自主CAE軟件的數(shù)據(jù)支撐體系。

2 面臨的挑戰(zhàn)

2.1 軟件的復(fù)雜性

CAE軟件的研發(fā)涉及力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，例如在力學(xué)方面，涉及材料本構(gòu)、單元構(gòu)造、接觸分析、大變形模擬、沖擊仿真等一系列核心力學(xué)算法；在數(shù)學(xué)方面，涉及大型稀疏矩陣的直接求解、迭代求解、矩陣相乘、特征值求解等一系列數(shù)值算法；在計(jì)算機(jī)科學(xué)方面，稀疏矩陣數(shù)值求解的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與矩陣元素壓縮存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)高效索引緊密結(jié)合，同時(shí)CAE軟件面臨高性能計(jì)算、云計(jì)算等環(huán)境的部署問(wèn)題。并且，作為航空結(jié)構(gòu)分析CAE軟件的研發(fā)者，還需要具備深厚的工程背景，要對(duì)航空裝備研制的流程、需求及相關(guān)工業(yè)知識(shí)具備足夠的積累。綜上所述，CAE軟件的復(fù)雜度及難度較高，給自主CAE軟件的研發(fā)帶來(lái)了艱巨的挑戰(zhàn)。

2.2 自主替代的緊迫性

中國(guó)航空裝備已全面進(jìn)入數(shù)字化研制階段，CAE軟件已成為裝備數(shù)字化研制體系中的關(guān)鍵組成部分，但目前裝備研制中應(yīng)用的CAE軟件基本被國(guó)外商業(yè)軟件壟斷，如何在較短時(shí)間內(nèi)研發(fā)可與國(guó)外商業(yè)軟件功能、性能相媲美的自主CAE軟件，是目前面臨的重要挑戰(zhàn)之一。解決途徑之一就是需要設(shè)計(jì)一套面向集成式開發(fā)的開放式軟件架構(gòu)，以提升多人協(xié)同研發(fā)效率，以及代碼的復(fù)用性，通過(guò)對(duì)軟件整體架構(gòu)的層次化設(shè)計(jì)，研究高效的執(zhí)行控制和數(shù)據(jù)管理機(jī)制，并通過(guò)軟件模塊的構(gòu)件化、接口的標(biāo)準(zhǔn)化處理，大幅降低軟件研發(fā)的難度，縮短軟件研發(fā)周期，使自主CAE軟件的高效研發(fā)成為可能。

2.3 新型裝備研制需求

隨著未來(lái)中國(guó)對(duì)航空裝備的要求不斷提高，為了滿足航空裝備提高性能、降低成本和減少研發(fā)時(shí)間的要求，需要在裝備研制全周期應(yīng)用功能更全面、計(jì)算能力更強(qiáng)的CAE軟件；同時(shí)隨著新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、高超聲速飛行器等新型裝備的研制，帶來(lái)了多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真、新型復(fù)合材料分析等一系列特殊專用需求，為自主CAE軟件的研發(fā)帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。新一代自主CAE軟件需要從過(guò)去解決航空裝備設(shè)計(jì)某階段問(wèn)題為主，轉(zhuǎn)向覆蓋航空裝備設(shè)計(jì)、分析、制造、試驗(yàn)、服役等全流程仿真設(shè)計(jì)需求；需要從過(guò)去解決通用分析需求，轉(zhuǎn)向解決通用分析需求和航空特殊專用需求。

2.4 軟件可靠性及市場(chǎng)應(yīng)用迭代

CAE軟件的精確性和可靠性直接決定了裝備研制的成敗。國(guó)外商業(yè)軟件在數(shù)十年的市場(chǎng)推廣中，經(jīng)過(guò)了大量的工程應(yīng)用驗(yàn)證，并不斷迭代完善。同時(shí)，波音、空中客車等航空巨頭在CAE軟件的應(yīng)用過(guò)程中，都結(jié)合裝備研制流程和需求，研發(fā)了適應(yīng)自身裝備研制體系的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于裝備研制過(guò)程中形成的仿真模型庫(kù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)CAE軟件進(jìn)行了充分的驗(yàn)證和標(biāo)定，確保了分析結(jié)果的精確性和可靠性。自主CAE軟件研發(fā)和推廣過(guò)程中，一方面缺乏充分的工程應(yīng)用驗(yàn)證和支撐驗(yàn)證的數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面由于缺少長(zhǎng)期用戶的持續(xù)反饋，其用戶友善性難以得到提升，導(dǎo)致自主CAE軟件市場(chǎng)化轉(zhuǎn)型面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3 自主結(jié)構(gòu)分析CAE軟件發(fā)展思路

3.1 總體發(fā)展技術(shù)路徑

通過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的深入剖析，自主CAE軟件的研發(fā)需要遵循“成熟問(wèn)題理論化、成熟理論程序化、成熟程序軟件化、成熟軟件產(chǎn)業(yè)化”的一般性發(fā)展規(guī)律，針對(duì)裝備研制問(wèn)題，不斷沉淀工業(yè)知識(shí)，研發(fā)軟件產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并完成應(yīng)用迭代，形成軟件生命周期閉環(huán)，提升軟件生命力。

自主CAE軟件的發(fā)展要遵循“通用平臺(tái)為基礎(chǔ)，專用軟件為核心，底層數(shù)據(jù)為保障”的總體發(fā)展技術(shù)路線，如圖7所示。“通用平臺(tái)為基礎(chǔ)”指在較短時(shí)間內(nèi)，瞄準(zhǔn)國(guó)外商業(yè)軟件的共性通用功能，構(gòu)建開放式軟件架構(gòu)，突破一系列核心數(shù)值算法，研發(fā)包含線性靜力分析、非線性分析、模態(tài)與振動(dòng)分析、氣動(dòng)彈性分析、熱傳導(dǎo)分析、顯式動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等通用分析子系統(tǒng)，打造通用結(jié)構(gòu)分析“功能群”，實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化、功能的組件化、流程的開放化?！皩Ｓ密浖楹诵摹敝该嫦蛐滦秃娇昭b備研制流程，針對(duì)裝備設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、服役等過(guò)程中的關(guān)鍵特殊需求，瞄準(zhǔn)裝備研制急需急用的特殊專用軟件，攻克關(guān)鍵技術(shù)，基于通用分析平臺(tái)，完成一系列專用模塊自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)接口的規(guī)范化、模塊的插件化、應(yīng)用的定制化，打造專用結(jié)構(gòu)分析“工具鏈”，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備研制流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)覆蓋?！暗讓訑?shù)據(jù)為保障”指基于航空工業(yè)數(shù)十年積累的航空強(qiáng)度數(shù)據(jù)，構(gòu)建輕型的數(shù)據(jù)管理架構(gòu)，設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)、積木式試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等，開發(fā)“通用功能-專用功能-數(shù)據(jù)庫(kù)”之間的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)貫通，為自主CAE軟件的驗(yàn)證及應(yīng)用提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖7 總體技術(shù)路線圖Fig.7 Overall technical roadmap

自主CAE軟件的研發(fā)要嚴(yán)格遵循相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)整個(gè)研發(fā)過(guò)程的質(zhì)量控制，涉及需求分析、力學(xué)任務(wù)書、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、代碼開發(fā)、代碼測(cè)試以及交付應(yīng)用等環(huán)節(jié)，涉及功能性、安全性、互用性、可靠性、可用性、效率、可維護(hù)性和可移植性等8個(gè)軟件質(zhì)量特征；同時(shí)需要對(duì)軟件研發(fā)過(guò)程中的開發(fā)文檔進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，為保證軟件研發(fā)的規(guī)范性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 通用分析功能群

自主CAE軟件需解決解題規(guī)模、效率、精度、魯棒性等一系列復(fù)雜問(wèn)題，通用分析功能群的構(gòu)建，既要充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源，又需保證數(shù)據(jù)高效組織及傳遞，同時(shí)必須在技術(shù)上適應(yīng)裝備研制和工業(yè)軟件未來(lái)發(fā)展需求。其核心是通過(guò)軟件架構(gòu)的科學(xué)設(shè)計(jì)解決數(shù)據(jù)、內(nèi)存和系統(tǒng)開放性等問(wèn)題，集成先進(jìn)的數(shù)學(xué)及力學(xué)算法，支撐靜力分析、非線性分析、模態(tài)與振動(dòng)分析、沖擊分析、氣動(dòng)彈性分析、熱傳導(dǎo)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等通用功能的實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 新一代架構(gòu)設(shè)計(jì)

CAE軟件涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)的有機(jī)融合。尤其隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE軟件架構(gòu)的內(nèi)涵也在不斷進(jìn)化，除需解決數(shù)據(jù)、內(nèi)存、系統(tǒng)開放性等傳統(tǒng)問(wèn)題外，還需兼顧異構(gòu)環(huán)境部署、云端運(yùn)行等未來(lái)需求。本節(jié)簡(jiǎn)要描述新一代大型結(jié)構(gòu)分析CAE軟件的體系架構(gòu)，隨后從系統(tǒng)開放性、數(shù)據(jù)管理、內(nèi)存管理等方面分別闡述。

1) 分層體系架構(gòu)

經(jīng)多年實(shí)踐探索，提出適應(yīng)CAE軟件發(fā)展要求的分層體系結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向進(jìn)行專業(yè)分層，將系統(tǒng)分成若干個(gè)功能水平層以降低單個(gè)層次的復(fù)雜性，每個(gè)層次只給相鄰層提供標(biāo)準(zhǔn)接口，保證軟件功能模塊具備足夠的復(fù)用性與獨(dú)立性。通過(guò)對(duì)各分層相應(yīng)的功能進(jìn)行模塊化劃分，從垂直方向分解整個(gè)系統(tǒng)，可大大降低單一模塊的復(fù)雜性。在綜合考慮軟件運(yùn)行框架基礎(chǔ)上，給出CAE軟件總體架構(gòu)，如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)分析CAE軟件總體架構(gòu)Fig.8 Architecture of structural analysis software

總體架構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫(kù)層完成結(jié)構(gòu)分析任務(wù)求解中數(shù)據(jù)的組織及管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析模型、中間求解和結(jié)果數(shù)據(jù)的分類管控；模塊層為基礎(chǔ)和專用模塊組件池，通過(guò)數(shù)據(jù)接口通底層數(shù)據(jù)及文件管理系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)交互；子系統(tǒng)層則按不同專業(yè)任務(wù)需求，通過(guò)執(zhí)行控制系統(tǒng)調(diào)度組件池中的不同功能模塊以完成相應(yīng)的計(jì)算或數(shù)據(jù)處理工作；面向用戶的系統(tǒng)層面，則通過(guò)統(tǒng)一的前后置處理界面開展模型構(gòu)建、求解設(shè)置、結(jié)果顯示及分析等?；谏鲜鲕浖軜?gòu)，面向適應(yīng)分布式、異構(gòu)環(huán)境等，從數(shù)據(jù)管理、內(nèi)存管理、功能組件設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)流程組織等方面技術(shù)、算法、程序等攻關(guān)，將形成完備的CAE軟件體系。

2) 系統(tǒng)開放性設(shè)計(jì)

大型結(jié)構(gòu)分析CAE軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初必須秉持開放性設(shè)計(jì)思想，要構(gòu)建具備良好開放性的軟件架構(gòu)，需從軟件體系開放性、用戶接口開放性、功能模塊開放性等方面開展研發(fā)工作。軟件體系開放主要指軟件流程的靈活控制、功能組件的載入、數(shù)值算法的互換性或通用性設(shè)計(jì)等。要實(shí)現(xiàn)軟件體系開放，需要設(shè)計(jì)一套執(zhí)行控制系統(tǒng)，將不同的結(jié)構(gòu)分析功能組件整合成一個(gè)完整系統(tǒng)的同時(shí)又保留各個(gè)功能組件的可擴(kuò)展性和相對(duì)獨(dú)立性。用戶接口開放主要指結(jié)構(gòu)分析軟件支持的輸入輸出模型文件接口、軟件對(duì)其他應(yīng)用程序的調(diào)用接口等，每種數(shù)據(jù)或應(yīng)用都必須建立標(biāo)準(zhǔn)接口，標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)計(jì)需在充分研究現(xiàn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開展。功能模塊開放主要指構(gòu)成結(jié)構(gòu)分析求解流程的模塊具備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，同一求解流程中任務(wù)組件或任務(wù)模塊可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展或替換，同時(shí)易于并行開展研發(fā)工作。

3) 大規(guī)模數(shù)據(jù)管理

在結(jié)構(gòu)分析軟件中，尤其隨著精細(xì)化建模分析要求越來(lái)越高，在結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，數(shù)據(jù)管理顯得非常重要。為高效管理、存儲(chǔ)、訪問(wèn)和分析這些數(shù)據(jù)，應(yīng)首先定義底層數(shù)據(jù)內(nèi)核，其次開展面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的高效管理。

4) 內(nèi)存管理

數(shù)據(jù)處理過(guò)程會(huì)發(fā)生大量的磁盤數(shù)據(jù)讀取操作，將大大降低程序運(yùn)行效率，這也是CAE軟件要面臨的主要問(wèn)題。內(nèi)存管理的核心是以盡可能少的數(shù)據(jù)磁盤交互完成計(jì)算。高效的方法是在一次內(nèi)外存交互中將計(jì)算數(shù)據(jù)盡可能多地加載到緩存中反復(fù)使用，盡可能減少交互次數(shù)以提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.2.2 關(guān)鍵數(shù)值算法

CAE軟件涉及的數(shù)值計(jì)算方法主要包括以大型稀疏矩陣高效求解為代表的基礎(chǔ)性算法和以不同學(xué)科計(jì)算需求牽引需攻克的力學(xué)或數(shù)學(xué)等專用算法。

1) 稀疏矩陣直接/迭代求解算法

一般工程問(wèn)題的計(jì)算，其根本是求解稀疏線性方程組。國(guó)產(chǎn)軟件針對(duì)未來(lái)超大規(guī)模稀疏線性方程組的求解問(wèn)題，分別應(yīng)用直接法和迭代法2類算法。其中，直接法以面向并行求解的分段多波前法為主。迭代法則不直接處理系數(shù)矩陣，而以某種極限過(guò)程逐步逼近線性方程組的精確解，其求解依賴于矩陣預(yù)處理算法。一般而言，直接法計(jì)算精度高，但存儲(chǔ)和計(jì)算開銷大；迭代法存儲(chǔ)空間小、計(jì)算開銷小，但當(dāng)系數(shù)矩陣條件數(shù)較大時(shí)會(huì)面臨收斂速度慢甚至不收斂。

2) 大型矩陣特征值求解算法

獲取高精度的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，需要建立精細(xì)的有限元模型，而結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)是求解系統(tǒng)的特征值和特征向量。廣泛應(yīng)用的全維特征值正交三角(QR)求解算法因其計(jì)算復(fù)雜度與矩陣規(guī)模呈三次方關(guān)系，且難以利用矩陣的稀疏特點(diǎn)，因此不適用于大規(guī)模稀疏特征值問(wèn)題的求解。針對(duì)大型矩陣特征值求解問(wèn)題，學(xué)者們則提出了求解效率更高的計(jì)算特征值子集的部分特征值求解算法。因此，在大型特征值求解方面，需針對(duì)大型動(dòng)力學(xué)方程的特點(diǎn)，對(duì)Arnoldi/lanczos，Krylov類算法以及Jacobi-Davidson等方法等進(jìn)行系統(tǒng)研究，掌握這些大型矩陣特征值算法對(duì)動(dòng)力學(xué)方程求解的優(yōu)劣勢(shì)，形成自主的高效高精度的特征值求解器。

3) 非線性求解算法

在非線性求解方面，非線性方程的求解精度、效率和穩(wěn)健性受多種因素影響，例如單元的自鎖現(xiàn)象、材料失效后剛度折減、迭代的收斂控制、剛度矩陣的奇異性、加載平衡路徑上的多極值點(diǎn)等。同時(shí)由于非線性問(wèn)題的多樣性和復(fù)雜性，求解方法也很難統(tǒng)一，不同的解法具有不同的適用范圍，選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致收斂較慢甚至發(fā)散。因此在涉及幾何、材料等多重非線性求解上，需開展相關(guān)的技術(shù)研究，研發(fā)高效穩(wěn)健的非線性方程求解算法及模塊。

4) 考慮侵蝕和摩擦滑移的自動(dòng)接觸算法

各種沖擊/碰撞過(guò)程均會(huì)涉及接觸問(wèn)題，碰撞接觸引起的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格大變形、材料失效破壞是沖擊動(dòng)力學(xué)計(jì)算的難點(diǎn)之一。沖擊/碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)大變形、運(yùn)動(dòng)界面追蹤和計(jì)算、材料失效后單元?jiǎng)h除等將導(dǎo)致新界面的追蹤和計(jì)算，是拖慢計(jì)算效率和占用計(jì)算資源的主要根源，也是導(dǎo)致計(jì)算收斂性差的根本，而接觸載荷計(jì)算(法向載荷和切向摩擦)則是產(chǎn)生計(jì)算誤差的主要因素之一。為適應(yīng)沖擊/碰撞過(guò)程中復(fù)雜結(jié)構(gòu)/邊界、任意區(qū)域的接觸問(wèn)題，需考慮侵蝕單元?jiǎng)h除影響進(jìn)行通用自動(dòng)接觸算法研究，重新構(gòu)建接觸面并開展高效全局/局部搜索、接觸力計(jì)算技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)全新的自動(dòng)接觸算法。

5) 氣動(dòng)伺服彈性分析算法

針對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)伺服彈性特性分析問(wèn)題，利用用戶輸入的傳感器、舵機(jī)、飛控系統(tǒng)的參數(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并與氣動(dòng)力模型和結(jié)構(gòu)模型聯(lián)合，建立氣動(dòng)伺服彈性系統(tǒng)的控制方程，分析系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并以Nyquist穩(wěn)定判據(jù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判定，同時(shí)給出穩(wěn)定裕度。未來(lái)，將針對(duì)非線性氣動(dòng)伺服彈性分析所涉及的非定常氣動(dòng)力建模、非線性結(jié)構(gòu)力學(xué)、氣動(dòng)伺服彈性控制律設(shè)計(jì)等問(wèn)題，梳理相關(guān)研究成果，為后續(xù)新型氣動(dòng)伺服彈性軟件的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

6) 先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能方面，裝備研制精細(xì)化、輕量化設(shè)計(jì)要求對(duì)CAE軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)功能提出新的挑戰(zhàn)。超大規(guī)模變量、復(fù)雜約束維度等是新型優(yōu)化問(wèn)題的主要特點(diǎn)。傳統(tǒng)的考慮單一變量、少量約束的優(yōu)化算法已難以適應(yīng)裝備研制和軟件發(fā)展需求，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)變成一個(gè)極為復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題?，F(xiàn)階段，求解多變量/多約束問(wèn)題的優(yōu)化算法種類繁多，很多先進(jìn)的優(yōu)化算法均以理論和教學(xué)研究為主，在自主CAE軟件中少有集成。為適應(yīng)復(fù)雜工程問(wèn)題優(yōu)化需求，需重點(diǎn)開展以先進(jìn)準(zhǔn)則法、基于梯度信息的數(shù)學(xué)規(guī)劃法(如MMA(Method of Moving Asymptotes)、GCMMA(Globally Convergent of MMA)、SQP(Sequential Quadratic Programming)等)等為代表的算法研究，兼顧啟發(fā)式算法，開發(fā)形成適應(yīng)于復(fù)雜工程問(wèn)題求解的先進(jìn)優(yōu)化器，集成于自主CAE軟件中。

3.2.3 核心通用功能提升

CAE軟件作為支撐裝備研制的關(guān)鍵工具，在統(tǒng)一的軟件架構(gòu)下，融合解決各領(lǐng)域共性問(wèn)題的通用功能，主要包括：靜力分析、非線性分析、模態(tài)與振動(dòng)分析、沖擊分析、氣動(dòng)彈性分析、熱傳導(dǎo)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，形成通用分析功能群，以解決制約裝備研制的基礎(chǔ)共性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1) 靜力分析主要用于求解結(jié)構(gòu)在靜力載荷，如：集中/分布靜力、溫度、強(qiáng)制位移、慣性力以及等作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，包括結(jié)構(gòu)在以上載荷下的屈曲分析，結(jié)構(gòu)響應(yīng)包括節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、約束(反)力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力/應(yīng)變等。

2) 非線性分析主要包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性分析，其提供多種非線性疊加狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、約束(反)力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)。

3) 模態(tài)與振動(dòng)分析支持結(jié)構(gòu)的實(shí)特征值分析和復(fù)特征值分析；支持結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)分析，方法有直接法和模態(tài)法；支持結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)分析。

4) 沖擊分析主要以顯式積分算法求解結(jié)構(gòu)沖擊/碰撞工況下的響應(yīng)，如機(jī)身墜撞分析、復(fù)合材料抗沖擊分析、汽車碰撞分析等，基于隨時(shí)間歷程變化的載荷，給出結(jié)構(gòu)響應(yīng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

5) 氣動(dòng)彈性分析主要應(yīng)用于航空航天翼面結(jié)構(gòu)，支持定常/非定常氣動(dòng)力計(jì)算及氣動(dòng)力修正、結(jié)構(gòu)/氣動(dòng)插值、靜氣動(dòng)彈性分析、顫振特性分析、陣風(fēng)響應(yīng)求解、氣動(dòng)伺服彈性穩(wěn)定性分析等。

6) 熱傳導(dǎo)分析可以考慮傳熱、對(duì)流、輻射等現(xiàn)象，開展結(jié)構(gòu)在線性/非線性狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析、瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，得到結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、熱流等分布，為后續(xù)的力熱耦合分析等提供輸入條件。

7) 優(yōu)化設(shè)計(jì)主要用于結(jié)構(gòu)在給定載荷和邊界條件下，尋求滿足某些約束條件的最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和拓?fù)錁?gòu)型，以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。

3.3 專用分析工具鏈

航空裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從CAE軟件在整個(gè)裝備研制流程中的應(yīng)用情況來(lái)看，并非只應(yīng)用通用分析功能，大量專用分析功能同樣也起到舉足輕重的作用。

參考空中客車等航空企業(yè)的專用軟件研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)航空裝備研制需求，梳理了若干專用軟件新研和改進(jìn)需求，作為未來(lái)短期研發(fā)的重點(diǎn)，主要包括：機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、翼面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、疲勞與損傷容限分析、起落架系統(tǒng)分析、薄壁結(jié)構(gòu)銑削加工過(guò)程仿真等6大專用分析工具，解決型號(hào)研制中的緊迫的問(wèn)題。

1) 機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工具

機(jī)身結(jié)構(gòu)受力形式復(fù)雜，不同部位要考慮不同的分析情況。根據(jù)機(jī)身結(jié)構(gòu)典型受力特征，機(jī)身結(jié)構(gòu)典型分析情況主要包括：機(jī)身加筋壁板靜強(qiáng)度分析、壁板對(duì)接強(qiáng)度分析、機(jī)身普通框強(qiáng)度分析、機(jī)身加強(qiáng)框強(qiáng)度分析、機(jī)身典型開口結(jié)構(gòu)分析，機(jī)身結(jié)構(gòu)分析專用工具也將覆蓋這些需求。

如圖9所示基本的研發(fā)思路，首先從總體有限元模型中獲取內(nèi)力解，確定分析部分和分析類型，然后從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取必要的工程計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行許用強(qiáng)度計(jì)算，并結(jié)合有限元分析結(jié)果，計(jì)算分析部位的安全裕度，判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能是否滿足要求，如果滿足，則結(jié)束任務(wù)流程，如果不滿足，則更新結(jié)構(gòu)、更新模型，進(jìn)行迭代。

2) 翼面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工具

翼面結(jié)構(gòu)是飛機(jī)最主要的承力結(jié)構(gòu)，直接承受復(fù)雜的氣動(dòng)、沖擊等載荷。翼面結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，導(dǎo)致分析工作任務(wù)量大、技術(shù)難度高。根據(jù)翼面結(jié)構(gòu)形式，翼面結(jié)構(gòu)主要分析部位為：機(jī)翼整體壁板、翼梁結(jié)構(gòu)、翼肋結(jié)構(gòu)及翼面典型開口結(jié)構(gòu)。如圖9所示，翼面結(jié)構(gòu)分析工具的發(fā)展思路和機(jī)身結(jié)構(gòu)類似。但是，此類專用分析工具的強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)無(wú)法直接映射至結(jié)構(gòu)CAD幾何數(shù)字模型上，造成強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的信息隔離。因此，未來(lái)的專用分析工具將融合CAD、CAE及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，實(shí)現(xiàn)CAD幾何數(shù)字模型、CAE有限元模型等數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接，從而加速設(shè)計(jì)、加速迭代，全面提升復(fù)雜裝備的研發(fā)效率。

圖9 機(jī)身、翼面結(jié)構(gòu)專用分析工具研發(fā)思路Fig.9 Research and development route of dedicated software used in fuselage and wing structure analysis

3) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工具

復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比剛度、性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)異特性，在航空結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。自主復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工具將基于設(shè)計(jì)與分析2大主線，采取“雙線并舉”的研發(fā)思路。如圖10所示，在“設(shè)計(jì)線”方面，從基體材料和纖維材料的性能出發(fā)，基于代表性體積單元(RVE)方法開展細(xì)觀分析，設(shè)計(jì)確定其組分比，獲得單層復(fù)合材料等效常數(shù)，并逐步開展考慮層合板剛度、失效、穩(wěn)定性的復(fù)合材料設(shè)計(jì)過(guò)程，最終支撐復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于此主線，研發(fā)相關(guān)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)工具。在“分析線”方面，從總體分析模型獲得內(nèi)力解，依次開展層合板剛度分析、失效分析、穩(wěn)定性分析，并最終實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)，并基于此主線，研發(fā)相關(guān)的復(fù)合材料分析工具。

圖10 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工具研發(fā)思路Fig.10 Research and development route of composite structure design and analysis software

4) 疲勞與損傷容限分析工具

為滿足型號(hào)研制需求，自主研發(fā)的疲勞與損傷容限分析工具將重點(diǎn)圍繞載荷譜處理、裂紋萌生壽命分析、裂紋擴(kuò)展壽命分析等方面進(jìn)行功能研發(fā)與性能提升。如圖11所示，疲勞與損傷容限分析工具的發(fā)展采取“三步走”的思路，第1步，增強(qiáng)現(xiàn)有分析功能，如雨流計(jì)數(shù)、載荷譜簡(jiǎn)化、應(yīng)力/應(yīng)變疲勞、應(yīng)力強(qiáng)度因子分析、裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算等；第2步，擴(kuò)充能力，如熱疲勞、振動(dòng)疲勞、概率裂紋擴(kuò)展分析等功能；第3步，統(tǒng)一平臺(tái)、架構(gòu)、數(shù)據(jù)管理、執(zhí)行控制、前后置，實(shí)現(xiàn)與自主CAE軟件統(tǒng)一平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接。

圖11 疲勞與損傷容限分析工具研發(fā)思路Fig.11 Research and development route of fatigue and damage tolerance analysis software

5) 起落架系統(tǒng)分析工具

起落架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是飛機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的研究領(lǐng)域之一，隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)朝大型化、復(fù)雜化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，起落架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析也面臨著諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。起落架系統(tǒng)分析工具，需要具備對(duì)陸基飛機(jī)和艦載飛機(jī)起落架起飛/降落過(guò)程的載荷預(yù)計(jì)和緩沖性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，功能包括：?jiǎn)蝹€(gè)起落架系統(tǒng)落震/滑跑載荷計(jì)算與優(yōu)化、單個(gè)起落架突伸性能分析、全機(jī)著陸/滑跑起落架載荷計(jì)算與優(yōu)化、艦載機(jī)全機(jī)彈射/滑躍起飛起落架載荷計(jì)算與優(yōu)化、艦載機(jī)攔阻著艦起落架載荷計(jì)算與優(yōu)化、艦載機(jī)起落架越障載荷計(jì)算與優(yōu)化，如圖12所示。

圖12 起落架系統(tǒng)分析工具研發(fā)思路Fig.12 Research and development route of landing gear analysis software

由于起落架系統(tǒng)參數(shù)多、識(shí)別復(fù)雜性高，輸入與輸出往往難以建立顯式的表達(dá)式，給起落架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析帶來(lái)極大的不便。針對(duì)此問(wèn)題，起落架系統(tǒng)分析工具將充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在非線性建模、輪胎動(dòng)力學(xué)建模方面尋求新的突破，支撐未來(lái)國(guó)產(chǎn)起落架設(shè)計(jì)。

6) 薄壁結(jié)構(gòu)銑削加工過(guò)程仿真工具

航空裝備件性能很大程度上受到制造工藝的影響。航空裝備結(jié)構(gòu)一般是薄壁加筋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于壁薄、剛度低等特點(diǎn)，在加工過(guò)程中受到初始?xì)堄鄳?yīng)力、銑削力、裝夾條件等因素的作用極易產(chǎn)生加工變形，嚴(yán)重影響薄壁零件的尺寸精度與性能。因此，研發(fā)大型薄壁結(jié)構(gòu)銑削加工過(guò)程仿真專用工具，對(duì)提前預(yù)估殘余變形、提高銑削加工精度具有重要意義。將基于薄壁結(jié)構(gòu)加工制造場(chǎng)景，構(gòu)建銑削加工過(guò)程零件變形仿真及裝夾布局優(yōu)化流程，研發(fā)大型薄壁結(jié)構(gòu)銑削加工過(guò)程仿真專用工具，為大型薄壁結(jié)構(gòu)的精密制造提供支持。

3.4 國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池

繼實(shí)驗(yàn)、理論、計(jì)算之后，數(shù)據(jù)已成為人類認(rèn)知世界的第四科學(xué)范式，發(fā)展自主CAE軟件離不開工業(yè)數(shù)據(jù)的支撐。伴隨著新一代航空裝備研制不斷推進(jìn)，裝備的材料國(guó)產(chǎn)化率越來(lái)越高，國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)自主CAE軟件的支撐作用更加凸顯。CAE軟件應(yīng)用場(chǎng)景和裝備研制需求，亟需構(gòu)建可支撐CAE軟件的國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池，初步梳理其功能框架如圖13所示。

圖13 國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池功能框架Fig.13 Functional framework of domestic data resource pool

面對(duì)積木式試驗(yàn)數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)、強(qiáng)度知識(shí)數(shù)據(jù)等的管理問(wèn)題，在此基于SQLite的輕量化數(shù)據(jù)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，并基于ASAM-ODS(開放式數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn))形成面向強(qiáng)度數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)化方法，制定相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)通用、專用功能數(shù)據(jù)接口，打造國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)高效關(guān)聯(lián)，打破信息孤島。國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池在CAE軟件應(yīng)用過(guò)程中的業(yè)務(wù)邏輯如圖14所示。

圖14 國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池業(yè)務(wù)運(yùn)行邏輯Fig.14 Business operation logic of domestic data resource pool

1) 積木式強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)

建立積木式試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的目的不僅要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地保存和管理，使軟件開發(fā)人員能夠快速地按需查詢、分析和對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，支持結(jié)構(gòu)分析軟件系統(tǒng)的測(cè)試和研發(fā)，還需要基于先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，完成數(shù)據(jù)清洗，從冗余試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取有效的關(guān)鍵數(shù)據(jù)供仿真使用，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的高效融合，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析提供支持。多專業(yè)積木式試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)功能組成如所圖15所示。

圖15 積木式試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)功能組成Fig.15 Functional framework of building block strength test database

2) 航空典型材料工程數(shù)據(jù)庫(kù)

在航空裝備結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，材料性能數(shù)據(jù)扮演著重要角色，為材料計(jì)算模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)的研發(fā)以國(guó)產(chǎn)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基本覆蓋國(guó)內(nèi)航空主干材料，同時(shí)包含飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)，以及部分國(guó)外資料的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，一方面要根據(jù)軟件分析功能的研發(fā)，不斷擴(kuò)充完善型材料性能數(shù)據(jù)和本構(gòu)模型，另一方面需要實(shí)現(xiàn)材料曲線數(shù)值化和數(shù)據(jù)曲線擬合功能，滿足精細(xì)化分析需求。同時(shí)要在充分考慮各系統(tǒng)分析場(chǎng)景基礎(chǔ)上,通過(guò)定義數(shù)據(jù)庫(kù)接口完成與結(jié)構(gòu)分析建模過(guò)程的無(wú)縫連接，提高結(jié)構(gòu)分析效率和自動(dòng)化程度。其中通用的材料數(shù)據(jù)概念模型如圖16所示，其本質(zhì)是構(gòu)建材料數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖16 材料數(shù)據(jù)概念模型Fig.16 Conceptual model of material data

3) CAE軟件標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)

標(biāo)準(zhǔn)CAE模型作為國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池的核心數(shù)據(jù)對(duì)象之一，對(duì)于驗(yàn)證軟件計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性有重要價(jià)值。針對(duì)航空結(jié)構(gòu)分析CAE軟件功能和性能指標(biāo)，構(gòu)建基于理論的經(jīng)典問(wèn)題模型、經(jīng)過(guò)商業(yè)軟件驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)模型、經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的典型工程問(wèn)題模型，形成自主CAE軟件標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，覆蓋自主CAE軟件通用及專用功能，支撐自主CAE軟件精確性及可靠性驗(yàn)證。

除上述幾個(gè)典型數(shù)據(jù)庫(kù)之外，還需根據(jù)自主CAE軟件應(yīng)用需求，適時(shí)研發(fā)強(qiáng)度準(zhǔn)則庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)構(gòu)型庫(kù)、強(qiáng)度知識(shí)庫(kù)等，為裝備研制提供數(shù)據(jù)支撐。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及建議

4.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展和裝備研制對(duì)結(jié)構(gòu)分析CAE軟件需求的不斷升級(jí)，國(guó)際結(jié)構(gòu)分析CAE軟件顯現(xiàn)出一些發(fā)展趨勢(shì)，自主CAE軟件在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中需要及時(shí)布局，加速追趕。

1) CAD/CAE軟件一體化

隨著未來(lái)環(huán)境對(duì)航空裝備性能、研制周期等的要求越來(lái)越高，在裝備設(shè)計(jì)階段盡早引入仿真分析，可對(duì)裝備性能進(jìn)行充分的仿真和優(yōu)化，并有效加速設(shè)計(jì)迭代，在此過(guò)程中的關(guān)鍵因素就是設(shè)計(jì)/仿真所需CAD/CAE軟件的一體化，此為CAE軟件重要的發(fā)展方向。

2) 多物理場(chǎng)耦合分析

以高超聲速飛行器為例，其面臨流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜服役環(huán)境，只有通過(guò)多場(chǎng)耦合仿真分析的方式，才能最大程度模擬飛行器的真實(shí)受載狀態(tài)，為飛行器設(shè)計(jì)提供支持，因此多物理場(chǎng)耦合分析是CAE軟件的重要發(fā)展方向。

3) 多尺度分析

隨著未來(lái)各類新型復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，需要準(zhǔn)確分析非均質(zhì)材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響，可以借助多尺度分析軟件，從微觀、細(xì)觀到宏觀多個(gè)層面進(jìn)行仿真，并對(duì)顆粒/纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維方向等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為新型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供支持，因此多尺度分析是CAE軟件的重要發(fā)展方向。

4) 高性能計(jì)算環(huán)境部署

為了適應(yīng)快速發(fā)展的高性能計(jì)算硬件環(huán)境， CAE軟件需要不斷吸收高精度、高效率并行數(shù)值算法，進(jìn)行軟件的并行化升級(jí)，并面向高性能計(jì)算環(huán)境進(jìn)行軟件適應(yīng)性改造，為超大規(guī)模的高效、高精度仿真奠定基礎(chǔ)。

5) 云平臺(tái)部署

云平臺(tái)近年來(lái)取得了快速發(fā)展，借助云平臺(tái)可以進(jìn)行CAE軟件快速部署，并保證軟件、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一配置和管理；同時(shí)可利用云端高性能計(jì)算資源和海量存儲(chǔ)空間，進(jìn)行大規(guī)模模型的高效計(jì)算和數(shù)據(jù)文件管理；借助云平臺(tái)，可高效開展異地協(xié)同設(shè)計(jì)仿真，提升裝備研制效率；因此CAE軟件在云平臺(tái)部署是重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

4.2 發(fā)展建議及展望

近年來(lái)，中國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)支持工業(yè)軟件發(fā)展的重大政策，為中國(guó)自主工業(yè)軟件發(fā)展?fàn)I造了良好的政策環(huán)境，同時(shí)大量新型裝備的研制以及工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型為工業(yè)軟件發(fā)展提供了龐大的需求市場(chǎng)，這些都為自主CAE軟件發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

前途是光明的，道路卻總是曲折的。中國(guó)自主CAE軟件發(fā)展面臨軟件性能與國(guó)外差距大、應(yīng)用驗(yàn)證不充分、產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后等諸多問(wèn)題，為推動(dòng)中國(guó)自主CAE軟件可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展，在軟件的開發(fā)模式、運(yùn)行模式等方面有如下建議：

緊跟裝備研制需求，推進(jìn)關(guān)鍵軟件優(yōu)先研發(fā)。結(jié)合航空裝備研制流程，針對(duì)關(guān)鍵通用需求和特殊專用需求，分別研發(fā)通用、專用分析功能，快速形成軟件產(chǎn)品，支撐裝備研制。

加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同合作開發(fā)。發(fā)揮各方在基礎(chǔ)研究、工業(yè)背景、代碼開發(fā)及工程應(yīng)用等方面的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)基礎(chǔ)算法攻關(guān)，加快代碼開發(fā)，并持續(xù)推進(jìn)工程應(yīng)用與迭代改進(jìn)，協(xié)同促進(jìn)自主CAE軟件成熟度提升。

探索敏捷高效的軟件開發(fā)模式。在自主CAE軟件的研發(fā)過(guò)程中，以瀑布式開發(fā)的基本流程為基礎(chǔ)，探索瀑布式開發(fā)和敏捷式開發(fā)相結(jié)合的軟件開發(fā)模式，深度結(jié)合用戶需求，基于已有功能模塊快速形成軟件原型，并在應(yīng)用中不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)、測(cè)試、部署和迭代，大幅加快CAE軟件創(chuàng)新迭代速度。

推動(dòng)自主CAE軟件云平臺(tái)部署。面對(duì)云計(jì)算的高靈活性、可擴(kuò)展性和高性價(jià)比的特點(diǎn)，加強(qiáng)與云計(jì)算企業(yè)的合作，夯實(shí)CAE軟件云化技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)軟件云化發(fā)展；并借助云平臺(tái)調(diào)整軟件銷售模式，提供基于云平臺(tái)的銷售與技術(shù)咨詢一體化服務(wù)。

加大自主CAE軟件市場(chǎng)推廣力度。采用“軟件產(chǎn)品+服務(wù)”的模式，為用戶提供包括貨架產(chǎn)品、專用定制軟件和技術(shù)服務(wù)在內(nèi)的整體解決方案；并針對(duì)各類客戶群體，發(fā)布不同的軟件版本并制定針對(duì)性的市場(chǎng)推廣策略，為自主CAE軟件的持續(xù)健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

制定相關(guān)軟件標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建自主工業(yè)軟件發(fā)展生態(tài)。積極聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)軟件研發(fā)單位，制定自主CAE軟件通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)，并開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用推廣，促進(jìn)上下游軟件之間的數(shù)據(jù)貫通，構(gòu)建自主可控的工業(yè)軟件發(fā)展生態(tài)。

未來(lái)，本團(tuán)隊(duì)將結(jié)合國(guó)內(nèi)外形勢(shì)和軟件發(fā)展規(guī)律，體系規(guī)劃，分“3個(gè)階段”系統(tǒng)推進(jìn)自主CAE軟件發(fā)展。第1階段：“面向通用、解決急需”，針對(duì)裝備研制的通用共性需求，在統(tǒng)一的開放式軟件架構(gòu)下，研發(fā)通用功能和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合裝備研制流程進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，不斷提升軟件的成熟度和易用性，具備國(guó)外商業(yè)軟件通用分析功能。第2階段：“發(fā)展專用、覆蓋流程”，針對(duì)航空裝備研制流程中的特殊需求，研發(fā)“專用工具鏈”，覆蓋裝備研制流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)持續(xù)提升軟件的性能、魯棒性、友善性等，并探索自主CAE軟件的市場(chǎng)化推廣模式。第3階段：“創(chuàng)新超越、構(gòu)建生態(tài)”，研發(fā)形成完備的“通用分析功能群+專用分析工具鏈+國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)資源池”自主CAE軟件體系，軟件功能、性能全面超越國(guó)外商業(yè)軟件，軟件成熟度、易用性、可靠性、安全性全面提高；同時(shí)在軟件研發(fā)模式和市場(chǎng)化推廣模式日趨成熟的環(huán)境下，構(gòu)建具有中國(guó)特色的工業(yè)軟件可持續(xù)發(fā)展生態(tài)。