揭秘国产CAE软件大型构造剖析软件的外围策略作用

  作者署名:看航空 弓虽

  中美贸易摩擦引发了国人对核心技术的深度思考,对于核心工业软件的控制已成为美国遏制我国发展的重要战略手段之一。

  2019年5月美国ANSYS公司对华为等公司开始禁售仿真软件,更让CAE软件成为人们关注的焦点。

  结构分析软件作为最早诞生和工程应用最广泛的CAE软件,是当之无愧的“国之重器”。

  本公众号将连续发表《国产结构分析软件发展战略研究》系列文章,将从结构分析软件的战略作用、国际发展、国内发展、面临挑战和发展战略几个层面着手,深入剖析国产结构分析软件的过去、现在和未来。

  1。  战略作用

  2。国际发展:发展历程

  3。国际发展:发展现状

  4。国内发展:总体情况

  5。国内发展:军工篇1

  6。国内发展:军工篇2

  7。国内发展:军工篇3

  8。国内发展:军工篇4

  9。国内发展:院所篇

  10。国内发展:高校篇

  11。国内发展:发展现状

  12。面临挑战

  13。发展战略

  引言

  工业软件是当之无愧整个现代工业体系的“大脑”,每一套现代工业产品和装备的研制的都离不开工业软件的运行,在智能制造和工业4.0的时代工业软件的重要性进一步凸显。

  随着工业技术的发展,工业软件逐渐成为我国工业发展的最大瓶颈。在CAD、CAE、CAM、CAPP等这些重要的工业软件当中,CAE软件主要用于数字建模与仿真,其本质是IT技术与工业化长期积累的工业知识的结晶,是工业软件中含金量最高而我国基础最为薄弱的环节。

  结构分析软件是最早诞生的CAE软件,也是工程中应用范围最广泛的CAE软件,通过数值计算等手段可有效解决结构平台的强度和完整性问题,直接决定了结构重量、安全性、寿命、舒适性等结构平台的重要属性,而结构平台是工业产品与装备实现功能性能的最重要保障,因此欧美等国家一直将结构分析软件作为具有核心战略作用的软件工具进行持续发展。

  随着人类对力学理论、模型构建和数值算法等技术的不断突破,结构分析软件的内涵也发生了深刻的变化:

  早期主要指用有限元法(FEM)对结构的刚度、强度进行分析。其起源最早可以追溯到1956年波音公司编制了内部有限元程序来计算飞机机翼强度,一般被认为是结构分析软件在工程中应用的开端。

图1:结构分析软件是起源最早的CAE软件图1:结构分析软件是起源最早的CAE软件

  现代的结构分析软件的应用范围已经扩展到对工业产品未来的工作状态(强度、寿命、热传导、可靠性)和运行行为(动力学、运动学、NVH)进行模拟仿真,可及早发现设计缺陷,改进和优化设计方案。所用的手段也从单一的有限元法扩展到有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)、混合有限元(MHFEM)、扩展有限元(XFEM)、工程法等多种方法。

  结构分析软件的核心战略作用

  结构分析软件是事关国家战略安全的关键核心工具,是提高我国装备制造业核心竞争能力,保证国家战略安全所必须掌握的关键技术,其核心战略作用主要体现在以下三方面:

  1、核心技术研究的重要工具

  结构分析软件是进行核心技术研究的重要工具,主要体现在基础性、前沿性、关键性三个方面:

  基础性

  数值模拟方法已经与理论研究、物理实验并称“创新三架马车”,结构分析软件作为一种重要的数值模拟方法,它可以辅助科学家、工程师揭示物理实验手段尚不能揭示或很难揭示的科学规律。在没有结构分析软件之间长达一个世纪里,人们对结构应力状态构求解的方法只能通过解析技术得到,而且只能计算载荷和几何形状比较简单的问题。现代结构分析软件提供的的线性、非线性分析、动力学分析等功能,是进行核心技术研究的必备基础工具。

图2:核心技术研究的基础性图2:核心技术研究的基础性

  前沿性

  结构分析软件在支持新材料设计(纳米材料、碳纤维、4D打印材料)、新结构设计(仿生结构、柔性结构、智能结构)、新技术(虚拟试验技术、虚拟现实技术),可对人类还没有制造出来的前沿材料和结构,精确模拟其结构响应,为创新设计提供依据。比如人们很早就通过数值手段预测碳原子单层结构具有很高的刚度和强度(比钢材高100倍),直到2004年曼彻斯特大学的两位教授通过微机械剥离的方法制备出纯正的石墨烯结构,这种预测才得到物理实验的验证。

图4:核心技术研究的前沿性图4:核心技术研究的前沿性

  关键性

  装备研制中的关键技术的解决往往依赖精确的结构分析结果,如高超声速飞行器耐高温/防护结构设计、重型火箭的大跨度结构动力学设计、大型跨海大桥的耦合分析、高速列车的疲劳寿命分析等,都需要结构分析软件的支撑。

  例如美国为实施阿波罗登月计划,组织开发了第一个工程实用的结构分析软件NASTRAN(NASA Sturucturla Analysis),用于计算不具有可试验性的飞行器结构,系统地解决了结构系列关键问题。美国为了研制高超声速飞行器,美国开发了一系列结构分析软件,保证了型号的成功。

图6:国外高超声速分析软件图6:国外高超声速分析软件

  2、工业装备研制的根本保障

  结构分析软件是工业装备研制的根本保障,主要体现在结构分析是工业共性需求、贯穿装备研制全周期、致命性短板三个方面:

  工业装备共性需求

  目前我国工业产品和装备进入了全面自主研制的快速发展时期,航空、航天、船舶、兵器、高铁等行业已经进入全面自主设计阶段,对结构平台的设计提出了多项共性的需求,比如要在有限的结构重量下实现全部性能指标,结构的NVH特性和乘员的舒适性等多个方面。

图7:结构分析软件是工业共性需求图7:结构分析软件是工业共性需求

  贯穿装备研制全周期

  结构分析软件已成为装备研制不可或缺的设计工具,已融入到装备研制的预发展、概念设计、初步设计、详细设计、试验验证、制造装配和试飞服役等全生命周期中。以航空装备为例,结构分析软件已经成为飞机设计、制造、强度验证和服役中应用最广泛的工业软件之一。

图8:结构分析软件应用于装备全生命周期图8:结构分析软件应用于装备全生命周期

  致命性短板

  结构分析软件直接决定了结构平台的主要品质,如结构强度、结构寿命、结构舒适性等,对于提高设计效率、降低设计成本也有着重要作用。从国内来看,工业部门几乎全面依赖进口结构分析软件(进口占比90%以上),缺乏自主的高精度结构分析软件已经成为工业产品和装备研制的致命性短板。

图9:工业部门普遍使用国外进口软件图9:工业部门普遍使用国外进口软件

  3、智能制造实现的关键支撑

  结构分析软件是智能制造实现的关键支撑,主要体现在结构分析软件对智能制造的数字化、网络化、智能化都起着支撑作用。

  数字化

  结构分析软件是未来工业产品数字化V&V验收流程中的基础手段,以航空装备为例,在概念设计阶段需要建立结构的低保真度数字模型(如梁式模型);在初步设计阶段需要建立中等保真度数字模型(如自然网格模型);在详细设计阶段需要建立高保真度数字模型(如细节三维模型)。

图10:两栖飞机着水载荷分析模型图10:两栖飞机着水载荷分析模型 图10:细节结构三维模型图10:细节结构三维模型

  网络化

  结构分析软件是未来实现5G+制造的关键工具,通过数据清洗、数据拟合、模型修正、可信度分析、云计算等技术支持,实现结构的智能制造中的全状态数据实时收集和结构的实时评估。

图12:结构分析软件是实现5G+制造的关键工具图12:结构分析软件是实现5G+制造的关键工具

  智能化

  结构分析软件也是实现智能化转型的重要支撑,通过构建系列包含智能特征的数字化模型,建立物理空间与数字空间的实时数据映射和反馈预测优化,实现参数智能匹配、实时智能判据和智能预警,支撑智能化转型。

图13:结构分析软件对智能化的支撑作用图13:结构分析软件对智能化的支撑作用

  结束语

  谁掌握了核心技术,谁就赢得未来新技术革命中的优势!习近平总书记在第十九次院士大会上强调:

  “实践反复告诉我们,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。

  大型结构分析软件的研制需要同时涉及多项结构强度关键技术攻关和大型复杂软件系统开发,既是一项高难度的科学研究,也是一项大规模的工程实践,对工业产品研发和科学技术创新都具有重要的战略支撑作用,是事关国家战略安全的关键核心工具。

  抓住历史机遇,研制具有国际先进水平的结构分析软件无疑是我国工业征途上必须完成的重要使命,也是成为国防强国和工业强国必须迈过的一道坎!