航空CAE軟件的發(fā)展與思考

航空CAE軟件的發(fā)展與思考孫俠生段世慧中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安，710065摘要：本文通過回顧航空業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件發(fā)展歷程，分析了目前面臨的處境和現(xiàn)狀，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，結(jié)合當(dāng)前的工程需求和技術(shù)發(fā)展，提出了下一步發(fā)展的建議。1航空業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件發(fā)展回顧計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一次革命性發(fā)展，使結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算變成一種實(shí)用工具，深刻地影響了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)過程，也產(chǎn)生了一個(gè)新的領(lǐng)域一一計(jì)算機(jī)輔助工程CAE。CAE技術(shù)發(fā)展大致可分為四個(gè)階段（與計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展密切相關(guān)）：第一階段是1950~1960年代，主要開發(fā)基本的結(jié)構(gòu)分析程序，基于力法和簡單的二維和三維位移有限元法。第二階段是70年代，主要開發(fā)通用有限元程序，如NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP等，也產(chǎn)生了混合元和雜交元理論，形成高效數(shù)值求解器，線性靜力問題求解基本成熟。第三階段是80年代，主要完善及擴(kuò)充通用有限元軟件，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、前后置處理軟件及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，出現(xiàn)了斷裂力學(xué)的奇異元技術(shù)、邊界元技術(shù)、有限元與其他數(shù)值方法聯(lián)合求解技術(shù)。第四階段從90年代中期至今，是微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和仿真時(shí)代，一方面，計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)軟件適應(yīng)新的計(jì)算機(jī)環(huán)境，另一方面，計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)與其他學(xué)科的綜合技術(shù)發(fā)展迅速，迎來了結(jié)構(gòu)仿真和虛擬驗(yàn)證時(shí)代的到來。國內(nèi)的發(fā)展從70年代末開始起步，與國際發(fā)展對應(yīng)，可分為兩個(gè)發(fā)展階段。第一階段，80年代至90年代中期，是一個(gè)快速發(fā)展期，開發(fā)了大量結(jié)構(gòu)分析軟件和CAE軟件。1979年以中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所為主管單位并有多個(gè)廠所院校參加的團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了航空結(jié)構(gòu)靜力分析系統(tǒng)HAJIF-1，1981年開發(fā)出航空結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析系統(tǒng)HAJIF-II，1983年開發(fā)出飛機(jī)結(jié)構(gòu)多約束優(yōu)化系統(tǒng)YIDOYU，這些軟件填補(bǔ)了我國航空結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白，成功地解決了當(dāng)時(shí)航空工業(yè)急需要解決的問題，滿足了需要，并分別獲得了國家二等獎(jiǎng)。1985年中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所成立了計(jì)算力學(xué)與軟件開發(fā)應(yīng)用專業(yè)研究室。并成功開發(fā)了HAJIF-m，獲得了國家一等獎(jiǎng)。而后又相繼開發(fā)出飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)環(huán)境預(yù)計(jì)系統(tǒng)VEP（1989年，國家二等獎(jiǎng)），復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化系統(tǒng)COMPASS（1992年，部二等獎(jiǎng)），大型通用有限元結(jié)構(gòu)分析程序系統(tǒng)HAJIF（X）（1995年，部二等獎(jiǎng)）等一系列結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件以及用于夾層、層合殼體、加筋板、和連接區(qū)的多個(gè)專用程序，這些軟件，在功能規(guī)模、軟件技術(shù)與解決問題能力等方面均居于國內(nèi)領(lǐng)先地位，某些方面達(dá)到或接近當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平，形成了國內(nèi)具有自主版權(quán)的航空結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系列產(chǎn)品，在航空、航天及民用工程項(xiàng)目中，發(fā)揮了重要作用。80年代初，航空部組織力量，以西門子7760計(jì)算機(jī)為平臺，建立了7760CAD/CAE/CAM系統(tǒng)；90年代初，以IBM4341為平臺，建立了飛機(jī)設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)CIEM。這些系統(tǒng)為大型軟件系統(tǒng)的集成探索了路子，取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，但由于硬件系統(tǒng)的更新和軟件集成技術(shù)的局限性，未得到進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。經(jīng)過這十幾年，在航空結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件研制方面，縮短了與國外的差距，打破了國外在某些技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ覈姆怄i。與國外同類軟件相比，國產(chǎn)軟件整體上雖有差距，但結(jié)合國情，每個(gè)軟件卻有其獨(dú)到之處。如：HAJIF-II的固有動(dòng)力特性計(jì)算方法可靠；YIDOYU的機(jī)翼模型數(shù)據(jù)生成能力優(yōu)越、簡單、實(shí)用；HAJIF-III的非線性求解策略先進(jìn)，曾引起MSC的極大興趣；VEP的動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，特別是動(dòng)載荷分析應(yīng)用前景廣；HAJIF（X）的分析功能強(qiáng)、應(yīng)用面廣、可與MSC/NASTRAN相貔美；COMPASS是適于復(fù)合材料翼面結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)軟件，具有一定的多學(xué)科優(yōu)化能力。第二個(gè)階段從90年代至今，引進(jìn)大量國際商業(yè)軟件，并進(jìn)行二次開發(fā)，CAE軟件應(yīng)用技術(shù)得到加強(qiáng)，并開始了仿真技術(shù)的研究。國內(nèi)各廠所均根據(jù)應(yīng)用需求，購入商用CAE軟件，如：MSC.Nastran,ansys,abqus,marc等。一定程度上滿足了飛機(jī)設(shè)計(jì)的需求，也推動(dòng)了CAE軟件在航空業(yè)的應(yīng)用。但這些軟件購價(jià)昂貴，且有一定的使用年限。從發(fā)展的角度看，總不能把國外的軟件一直購買下去。在這個(gè)階段，國產(chǎn)軟件結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，走自我完善的發(fā)展道路；結(jié)合國際商業(yè)軟件，開發(fā)專用軟件，為國產(chǎn)軟件留住了一塊陣地。如飛機(jī)著陸滑跑載荷分析系統(tǒng)（ALTLAS）、飛機(jī)顫振實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)（AFTAS）、計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析系統(tǒng)CATAS）、飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限分析系統(tǒng)（ADDS）等。2航空業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件發(fā)展現(xiàn)狀2.1建模軟件大多數(shù)大型結(jié)構(gòu)分析軟件都基于有限元方法。有限元方法作為求解工程問題的一種數(shù)值技術(shù)，其成敗關(guān)鍵很大程度上取決于模型的本身質(zhì)量。正確的模型可望計(jì)算出正確的結(jié)果;即使程序無誤，錯(cuò)誤的模型決不會算出正確的答案，這就是所謂的“Garbagein,garbageout”。有限元模型的建立是一個(gè)費(fèi)時(shí)、且需要專門知識的過程，它與研究的對象息息相關(guān)。國際上著名的有限元分析程序都有與之相適應(yīng)、功能齊全以及可靠的前后置處理系統(tǒng)。此外，一個(gè)有限元程序能否得到廣泛應(yīng)用，很大程度上也取決于其選用的前后置處理系統(tǒng)以及用其生成有限元模型的能力?？梢?，一個(gè)好的前后置系統(tǒng)，對于有限元系統(tǒng)的更好使用起著極其重要的作用。著名的商用建模系統(tǒng)有MSC/PATRAN、EDS/UG2、FEMAP等。這些有限元前后置處理系統(tǒng)，對于加快有限元建模速度、提高建模質(zhì)量、減少人工處理工作量，以及加深人們對計(jì)算結(jié)果的理解發(fā)揮著巨大的作用。但從分析的角度出發(fā)，無論是國外軟件、還是國內(nèi)軟件，它們在航空設(shè)計(jì)部門應(yīng)用最大的困難還是航空薄壁結(jié)構(gòu)的模型建立。大多有限元建模基于實(shí)體建模，難以適應(yīng)航空薄壁結(jié)構(gòu)（加筋、加肋）建模的需要。飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)有限元快速建模軟件（QuickFEM）是一個(gè)針對飛機(jī)翼面薄壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用面向設(shè)計(jì)、符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化建模技術(shù)而開發(fā)的軟件。該軟件采用當(dāng)今世界最為流行的圖形用戶界面（GUI）技術(shù)，將CAD技術(shù)中的基本繪圖手段融入其中，形成了具有領(lǐng)域特色的交互一自動(dòng)相結(jié)合的新一代快速建模策略和方法。其工程實(shí)用性、建模高效率和圖形可視化程度，已得到設(shè)計(jì)部門的認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。QuickFEM的基本功能有：根據(jù)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)特性，快速建立結(jié)構(gòu)布局的平面圖，并有很強(qiáng)的圖形修改功能；根據(jù)展向的翼型布置和平面網(wǎng)格，能快速生成結(jié)構(gòu)的三維坐標(biāo)，包括彎扭機(jī)翼幾何模型；定義特征結(jié)構(gòu)，生成有限單元的物理和材料特性并進(jìn)行查詢；施加邊界條件（單點(diǎn)、多點(diǎn)約束）與載荷（集中載、氣動(dòng)載等效移動(dòng)、慣性載）并進(jìn)行查詢；自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)靜力、振動(dòng)、顫振、靜彈、分析及滿應(yīng)力優(yōu)化數(shù)據(jù)文件，并與CAD軟件有接口。2.2結(jié)構(gòu)分析軟件：HAJIF系列軟件，功能最全當(dāng)推HAJIFXoHAJIFX是一個(gè)大型、通用有限元分析程序系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所的主持下，聯(lián)合航空工業(yè)部門的有限元技術(shù)專家，于二十世紀(jì)九十年代自行研制的新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析軟件。目前，該軟件已擁有一萬多個(gè)子程序，五十多萬行源語句；具有靜力與動(dòng)力、線性與非線性等多種結(jié)構(gòu)分析功能，可適用于航空、航天、兵器、汽車、機(jī)械、船舶、核能、橋梁、建筑、水利與化工等各工業(yè)部門以及科研院所的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，是這些部門工程師們的強(qiáng)有力的工具。HAJIFX軟件適用于三維體與結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)分析：線性與非線性靜力分析，線性與非線性動(dòng)力分析以及各種動(dòng)力響應(yīng)分析，熱傳導(dǎo)分析，氣動(dòng)彈性分析，層合復(fù)合材料分析。HAJIFX軟件有豐富的單元庫，擁有50多種單元類型，包括常規(guī)單元和等參單元，這兩類單元可以同時(shí)應(yīng)用于求解同一問題。具有豐富的材料庫，擁有足夠求解不同材料工程問題的材料庫，在庫中，采用四種算法來描述材料的應(yīng)力、應(yīng)變曲線：Romberg-Osgood三參數(shù)方程，分段描述的幕次表達(dá)，指數(shù)表達(dá)式，試驗(yàn)曲線描述。在HAJIFX材料庫中具有如下材料模式：各向同性彈性材料模式，正交各向異性材料，各向異性材料，非線性彈性材料，彈一塑性材料（完全塑性、各向同性硬化、運(yùn)動(dòng)硬化、組合硬化）。對單元庫、材料庫、載荷庫和方法庫都留有接口，易于修改與擴(kuò)充。HAJIFX軟件的輸入、輸出數(shù)據(jù)格式采用作為事實(shí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的NASTRAN的數(shù)據(jù)格式，可以采用PATRANFEMAP等有限元前后置處理軟件的NASTRAN接口，便于用戶建立有限元模型、查看計(jì)算結(jié)果的圖形顯示。飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫及智能分析系統(tǒng)，適用于飛機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用的各環(huán)節(jié)，用于決策、組織管理、設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)評估的，滿足國軍標(biāo)要求的先進(jìn)的軍用飛機(jī)的耐久性和損傷容限評估體系，該系統(tǒng)具備：以EIFS和DFR法為中心，適當(dāng)?shù)仡櫦捌渌途眯苑治龇椒?、系統(tǒng)具有一定程度的智能化再設(shè)計(jì)功能、系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)可自動(dòng)生成、系統(tǒng)的后置處理與耐久性分析報(bào)告要求相一致、滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)可能用到的材料與結(jié)構(gòu)型式的需要、數(shù)據(jù)庫具有查詢，打印和修改功能、數(shù)據(jù)庫和分析系統(tǒng)方便地進(jìn)行了連接，便于數(shù)據(jù)的調(diào)用。飛機(jī)著陸和滑跑載荷分析系統(tǒng)ALTLAS2.0版，該軟件能滿足起落架著陸、滑跑、剎車動(dòng)載荷設(shè)計(jì)要求和綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用前景良好，已成功應(yīng)用于多個(gè)型號。該軟件能直接為MSC.ADAMS輸出特性文件，加快虛擬樣機(jī)建模。2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件：COMPASS（COMPositestructuralAnalysisandSynthesisSy是e0）年代初以中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所為主承擔(dān)單位研制的復(fù)合材料（含金屬）結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是集氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)彈性、模型化和圖形前后置處理于一體的大型多學(xué)科工程應(yīng)用軟件，共8.2萬FORTRAN語句，22條固定流程，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)與初步詳細(xì)設(shè)計(jì)階段?？蛇M(jìn)行帶外掛翼面復(fù)合材料、金屬）結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性分析（含靜力、動(dòng)力、靜彈、顫振等），進(jìn)行滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度應(yīng)力/應(yīng)變、位移、穩(wěn)定約束的滿應(yīng)力設(shè)計(jì)，及實(shí)現(xiàn)靜力、動(dòng)力和氣動(dòng)彈性要求的多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)（含氣動(dòng)彈性剪裁功能）。該系統(tǒng)開放性好，易修改、易集成，可與多個(gè)外接軟件聯(lián)合使用，完成結(jié)構(gòu)建模-設(shè)計(jì)-分析一體化過程。前后置處理功能強(qiáng)，用戶界面友善，操作方便，使用可靠，可在多種計(jì)算機(jī)平臺上運(yùn)行。COMPASS自93年投入運(yùn)行以來，功能日臻完善，相繼推出多個(gè)微機(jī)版本，已成功用于航空、航天十幾個(gè)工程項(xiàng)目中，獲得顯著社會經(jīng)濟(jì)效益。其快速有限元建模、分析設(shè)計(jì)綜合功能、氣動(dòng)彈性約束（含顫振）優(yōu)化、復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)、解析法求導(dǎo)等方面在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位，達(dá)九十年代中后期某些方面達(dá)到近期）國際先進(jìn)水平。正因?yàn)榇?，COMPASS的發(fā)展與應(yīng)用，引起了國外有關(guān)部門的極大興趣與關(guān)注，先后與德國、E印度等國建立技術(shù)合作關(guān)系，并與美國MSC公司聯(lián)合開發(fā)了PATRAN/COMPASS，將COMPASS與PATRAN相集成，已推出1.0專用版本。COMPASS是國產(chǎn)軟件中較為成功的一個(gè)，應(yīng)用多，且仍在不斷維護(hù)發(fā)展中。2.4工程強(qiáng)度分析針對結(jié)構(gòu)分析后的強(qiáng)度評估問題，90年代末，中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所在PATRAN平臺上，開發(fā)了結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析Strength件，能夠預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)初次破壞部位、模式及載荷。系統(tǒng)有24種金屬和復(fù)合材料破壞模式，可考慮桿梁構(gòu)件受拉壓剪時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性、板的強(qiáng)度、板的穩(wěn)定性、受剪板的張力場計(jì)算。該軟件用于有限元整體求解后計(jì)算各元件破壞強(qiáng)度，還用來進(jìn)行破壞試驗(yàn)時(shí)破壞部位預(yù)估和破壞載荷預(yù)估，它可進(jìn)行張力場分析、桿應(yīng)力分析、失穩(wěn)分析、剩余強(qiáng)度分析，各種連接及接頭、鉚釘、螺釘、梁及塑性修正等。由于是工程方法，所以計(jì)算快速。2.5輔助試驗(yàn)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要用在我國航空全尺寸結(jié)構(gòu)靜力、疲勞試驗(yàn)中，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，縮短試驗(yàn)周期，提高試驗(yàn)質(zhì)量，通過計(jì)算和測量結(jié)果一致性評估，為設(shè)計(jì)、使用部門提供一個(gè)既有計(jì)算分析又有試驗(yàn)結(jié)果，給飛機(jī)強(qiáng)度給出計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)合的全面評價(jià)，為航空結(jié)構(gòu)改進(jìn)、改型提出建議。系統(tǒng)主要功能包括：計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，試驗(yàn)安裝仿真，結(jié)構(gòu)響應(yīng)及破壞預(yù)估分析，試驗(yàn)前仿真，試驗(yàn)實(shí)時(shí)顯示，試驗(yàn)與分析相關(guān)性評估。2.6小結(jié)隨著國內(nèi)航空業(yè)的發(fā)展，自主研制飛機(jī)將越來越多，自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件需求將越來越旺。在中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，目前，仍有一支沖滿活力的科研隊(duì)伍，正本著“面向設(shè)計(jì)，結(jié)合試驗(yàn)，突出專用”的發(fā)展思路不斷發(fā)展壯大航空業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)CAE軟件。“面向設(shè)計(jì)”，將優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件品牌做大作強(qiáng)；“結(jié)合試驗(yàn)”，開發(fā)輔助結(jié)構(gòu)試驗(yàn)軟件以及試驗(yàn)仿真軟件，作為新的突破口；“突出專用”，在國外軟件的沖擊面前，按照“有所為，有所不為”的指導(dǎo)思想，根據(jù)國內(nèi)需求，開發(fā)國內(nèi)航空業(yè)的專用軟件，不求大而全，但求專而精。3航空業(yè)自主知識產(chǎn)權(quán)的CAE軟件發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和下一步發(fā)展設(shè)想人才隊(duì)伍是關(guān)鍵。二十多年的發(fā)展歷程表明，一個(gè)好的CAE軟件離不開一批高水平的結(jié)構(gòu)分析人員和軟件開發(fā)人員；軟件的維護(hù)發(fā)展，更離不開這批人才隊(duì)伍。隊(duì)伍散了，不僅軟件的壽命結(jié)束，且很難再形成一個(gè)高起點(diǎn)的軟件平臺。新技術(shù)應(yīng)用是生命。CAE軟件開發(fā)若不采用新的技術(shù)，在開發(fā)完成之時(shí)可能就已被淘汰，被功能相同的軟件擠出市場。因此，國產(chǎn)軟件必須有幾個(gè)自己的亮點(diǎn)、絕招，能夠比當(dāng)前的應(yīng)用水