裝備研製的智慧靈魂!揭秘大型結構分析軟體的核心戰略作用

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中美貿易摩擦引發了國人對核心技術的深度思考，對於核心工業軟體的控制已成為美國遏制我國發展的重要戰略手段之一。2019年5月美國ANSYS公司對華為等公司開始禁售仿真軟體，更讓CAE軟體成為人們關注的焦點。

結構分析軟體作為最早誕生和工程應用最廣泛的CAE軟體，是當之無愧的「國之重器」。

本公眾號將連續發表《國產結構分析軟體發展戰略研究》系列文章，將從結構分析軟體的戰略作用、國際發展、國內發展、面臨挑戰和發展戰略幾個層面著手，深入剖析國產結構分析軟體的過去、現在和未來。

1.  戰略作用

2．國際發展：發展歷程

3．國際發展：發展現狀

4．國內發展：總體情況

5．國內發展：軍工篇1

6．國內發展：軍工篇2

7．國內發展：軍工篇3

8．國內發展：軍工篇4

9．國內發展：院所篇

10．國內發展：高校篇

11．國內發展：發展現狀

12．面臨挑戰

13．發展戰略

工業軟體是當之無愧整個現代工業體系的「大腦」，每一套現代工業產品和裝備的研製的都離不開工業軟體的運行，在智能製造和工業4.0的時代工業軟體的重要性進一步凸顯。

隨著工業技術的發展，工業軟體逐漸成為我國工業發展的最大瓶頸。在CAD、CAE、CAM、CAPP等這些重要的工業軟體當中，CAE軟體主要用於數字建模與仿真，其本質是IT技術與工業化長期積累的工業知識的結晶，是工業軟體中含金量最高而我國基礎最為薄弱的環節。結構分析軟體是最早誕生的CAE軟體，也是工程中應用範圍最廣泛的CAE軟體，通過數值計算等手段可有效解決結構平臺的強度和完整性問題，直接決定了結構重量、安全性、壽命、舒適性等結構平臺的重要屬性，而結構平臺是工業產品與裝備實現功能性能的最重要保障，因此歐美等國家一直將結構分析軟體作為具有核心戰略作用的軟體工具進行持續發展。隨著人類對力學理論、模型構建和數值算法等技術的不斷突破，結構分析軟體的內涵也發生了深刻的變化：早期主要指用有限元法（FEM）對結構的剛度、強度進行分析。其起源最早可以追溯到1956年波音公司編制了內部有限元程序來計算飛機機翼強度，一般被認為是結構分析軟體在工程中應用的開端。

現代的結構分析軟體的應用範圍已經擴展到對工業產品未來的工作狀態（強度、壽命、熱傳導、可靠性）和運行行為（動力學、運動學、NVH）進行模擬仿真，可及早發現設計缺陷，改進和優化設計方案。所用的手段也從單一的有限元法擴展到有限差分法（FDM）、邊界元法（BEM）、混合有限元（MHFEM）、擴展有限元（XFEM）、工程法等多種方法。 

結構分析軟體是事關國家戰略安全的關鍵核心工具，是提高我國裝備製造業核心競爭能力，保證國家戰略安全所必須掌握的關鍵技術，其核心戰略作用主要體現在以下三方面：

結構分析軟體是進行核心技術研究的重要工具，主要體現在基礎性、前沿性、關鍵性三個方面：

數值模擬方法已經與理論研究、物理實驗並稱「創新三架馬車」，結構分析軟體作為一種重要的數值模擬方法，它可以輔助科學家、工程師揭示物理實驗手段尚不能揭示或很難揭示的科學規律。在沒有結構分析軟體之間長達一個世紀裡，人們對結構應力狀態構求解的方法只能通過解析技術得到，而且只能計算載荷和幾何形狀比較簡單的問題。現代結構分析軟體提供的的線性、非線性分析、動力學分析等功能，是進行核心技術研究的必備基礎工具。

結構分析軟體在支持新材料設計（納米材料、碳纖維、4D列印材料）、新結構設計（仿生結構、柔性結構、智能結構）、新技術（虛擬試驗技術、虛擬實境技術），可對人類還沒有製造出來的前沿材料和結構，精確模擬其結構響應，為創新設計提供依據。比如人們很早就通過數值手段預測碳原子單層結構具有很高的剛度和強度（比鋼材高100倍），直到2004年曼徹斯特大學的兩位教授通過微機械剝離的方法製備出純正的石墨烯結構，這種預測才得到物理實驗的驗證。

裝備研製中的關鍵技術的解決往往依賴精確的結構分析結果，如高超聲速飛行器耐高溫/防護結構設計、重型火箭的大跨度結構動力學設計、大型跨海大橋的耦合分析、高速列車的疲勞壽命分析等，都需要結構分析軟體的支撐。

例如美國為實施阿波羅登月計劃，組織開發了第一個工程實用的結構分析軟體NASTRAN（NASA Sturucturla Analysis），用於計算不具有可試驗性的飛行器結構，系統地解決了結構系列關鍵問題。美國為了研製高超聲速飛行器，美國開發了一系列結構分析軟體，保證了型號的成功。

結構分析軟體是工業裝備研製的根本保障，主要體現在結構分析是工業共性需求、貫穿裝備研製全周期、致命性短板三個方面：

目前我國工業產品和裝備進入了全面自主研製的快速發展時期，航空、航天、船舶、兵器、高鐵等行業已經進入全面自主設計階段，對結構平臺的設計提出了多項共性的需求，比如要在有限的結構重量下實現全部性能指標，結構的NVH特性和乘員的舒適性等多個方面。

結構分析軟體已成為裝備研製不可或缺的設計工具，已融入到裝備研製的預發展、概念設計、初步設計、詳細設計、試驗驗證、製造裝配和試飛服役等全生命周期中。以航空裝備為例，結構分析軟體已經成為飛機設計、製造、強度驗證和服役中應用最廣泛的工業軟體之一。

結構分析軟體直接決定了結構平臺的主要品質，如結構強度、結構壽命、結構舒適性等，對於提高設計效率、降低設計成本也有著重要作用。從國內來看，工業部門幾乎全面依賴進口結構分析軟體（進口佔比90%以上），缺乏自主的高精度結構分析軟體已經成為工業產品和裝備研製的致命性短板。

結構分析軟體是智能製造實現的關鍵支撐，主要體現在結構分析軟體對智能製造的數位化、網絡化、智能化都起著支撐作用。

結構分析軟體是未來工業產品數位化V&V驗收流程中的基礎手段，以航空裝備為例，在概念設計階段需要建立結構的低保真度數字模型（如梁式模型）；在初步設計階段需要建立中等保真度數字模型（如自然網格模型）；在詳細設計階段需要建立高保真度數字模型（如細節三維模型）。

結構分析軟體是未來實現5G+製造的關鍵工具，通過數據清洗、數據擬合、模型修正、可信度分析、雲計算等技術支持，實現結構的智能製造中的全狀態數據實時收集和結構的實時評估。

結構分析軟體也是實現智能化轉型的重要支撐，通過構建系列包含智能特徵的數位化模型，建立物理空間與數字空間的實時數據映射和反饋預測優化，實現參數智能匹配、實時智能判據和智能預警，支撐智能化轉型。

誰掌握了核心技術，誰就贏得未來新技術革命中的優勢！習近平總書記在第十九次院士大會上強調：

實踐反覆告訴我們，關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。

大型結構分析軟體的研製需要同時涉及多項結構強度關鍵技術攻關和大型複雜軟體系統開發，既是一項高難度的科學研究，也是一項大規模的工程實踐，對工業產品研發和科學技術創新都具有重要的戰略支撐作用，是事關國家戰略安全的關鍵核心工具。

抓住歷史機遇，研製具有國際先進水平的結構分析軟體無疑是我國工業徵途上必須完成的重要使命，也是成為國防強國和工業強國必須邁過的一道坎！

文章來源：看航空