1 航空自主CAE軟件的發展歷程

　　1.1拓展航空結構有限元分析軟件

　　1975年，在原三機部領導支持下，中國飛機強度研究所副所長馮鐘越先生在西安主持召開三機部第1屆結構強度計算機應用交流會.會上決定成立由中國飛機強度研究所、631所、605所和628所等4個航空研究所組成的聯合課題組，開發通用有限元程序系統，定名為“航空結構分析系統”，代號為HAJIF.

　　1976--1979年，聯合課題組開發成功航空結構線性分析有限元程序系統HAJIF—Ⅰ.這是我國航空領域第1個大型結構分析系統.利用HAJIF-Ⅰ已完成多個在研型號的全機或部件的應力分析，大大推動CAE技術在航空工業中的應用.該系統獲航空工業部一等獎，國防科工委一等獎，國家科技進步二等獎.

　　1980--1981年，成功研制航空結構動力分析系統HAJIF—Ⅱ.這是我國航空領域第1個大型結構動力分析系統.HAJIF—Ⅱ的固有動力特性計算方法先進、可靠，曾解決J8等型號的顫振分析問題，至今仍在飛機設計中應用.該系統獲航空工業部二等獎，并與HAJIF—I合并，獲國家科技進步二等獎.

　　1979--1982年，成功研制飛機結構多約束優化設計系統YIDOYU.這是我國航空領域第1個飛機結構優化設計系統，增強了在有限元基礎上的優化設計能力，YIDOYU的機翼模型數據生成能力強且簡單、實用.該系統獲航空工業部一等獎，并獲國家科技進步二等獎.

　　1981—1985年，成功開發我國第1個大型通用結構非線性分析系統HAJIF一Ⅲ.該系統的非線性求解策略先進，解決了轟炸機機翼彈塑性和穩定性分析問題，為設計提供依據;達到當時同類系統的國際先進水平，獲國家科技進步一等獎.

　　1989年，在動強度設計矛盾突出的情況下，成功開發“飛機結構振動環境預計系統VEP”，該系統獲國家科技進步二等獎.

　　1992年，隨著復合材料日益得到應用，成功開發“復合材料結構分析與優化系統COMPASS”.該系統在復合材料翼面結構綜合設計方面能力強，具有多學科優化設計功能，在多個型號研制中得到應用，獲航空工業部科技進步二等獎.

　　1990--1995年，成功研制大型通用有限元結構分析程序系統HAJIF(x).該系統可對結構進行靜力線性和非線性分析、固有特性分析、動力響應分析、熱傳導分析、聲響分析、流固耦合分析、復合材料分析以及多級超單元分析.HAJIF(x)于1995年12月通過中國航空工業總公司組織的專家評審，已應用于多個飛機型號的結構分析，于1996年獲中國航空工業總公司科學技術進步二等獎.

　　20世紀80年代初，在認識到系統集成的重要性后，航空工業部組織力量，以西門子7760計算機為平臺，建立7760 CAD/CAE/CAM系統，首次完成系統集成嘗試.1986--1995年，以IBM 4341為平臺，開發出初具規模的CAD/CAE/CAM集成系統——CIEM系統，集成總體、氣動力、結構強度、氣動彈性和CAM幾個專業的應用程序.該系統獲航空工業部一等獎，并獲國家科技進步二等獎.

　　經過這十幾年的努力，聯合課題組研制與開發成功一系列結構分析與優化設計應用軟件.這些軟件在功能、軟件技術及解決問題能力等方面均居國內領先地位，某些方面達到或接近當時的國際先進水平，形成國內具有自主知識產權的航空結構分析與優化設計軟件，獲航空工業部和國家多項科技進步獎，已在航空、航天及民用工程項目中發揮重要作用(見圖1)，打破國外在CAE軟件行業的壟斷和對中國的封鎖，使國外軟件由有限制的高價租用逐步轉為放開銷售.更重要的是培養和形成1支計算力學研究與軟件開發的過硬隊伍，為進一步發展航空自主CAE軟件奠定良好基礎.

　　圖1 HAJIF系列軟件的應用

　　1.2夾縫中求得特色發展

　　從20世紀90年代開始，大批國外軟件涌人中國市場，各航空廠所均根據應用需求，購人多種商用CAE軟件，如MSC Nastran，ANSYS，ABAQUS和Marc等.這在一定程度上滿足飛機設計需求，推動CAE軟件在航空工業中的應用，但這些軟件價格昂貴并有一些使用限制，而且嚴重影響自主CAE軟件的開發進程.有段時間幾乎聽不到開發自主CAE軟件的聲音，相關管理部門支持國產軟件發展的力度也大幅下降.自主CAE軟件的開發在人力、財力和物力上都遇到很多困難，其發展舉步維艱.盡管如此，HAJIF仍沒有退縮，堅持高舉自主創新大旗朝前走!在中國飛機強度研究所，仍有1支充滿活力的科研隊伍，本著“面向設計、結合試驗、突出專用”的發展思路，在競爭中求生存，在應用中求發展，不斷發展壯大航空業擁有自主知識產權的CAE軟件.

　　(1)“面向設計”，將優化設計軟件品牌做大做強.以服務于型號設計為宗旨，在COMPASS基礎上，與飛機設計所緊密合作，增加功能、增強多層次優化能力，解決不同設計階段的工程需求.

　　首先，增加翼面結構快速建模功能，開發并集成飛機翼面結構有限元快速建模軟件模塊QuickFEM.該模塊根據機翼的結構特性，快速建立結構布局平面圖;根據展向的翼型布置和平面網格，能快速生成結構的三維坐標;自動生成結構靜力、振動、顫振、靜彈、分析及滿應力優化數據文件，其建模效率已得到設計部門的認可和廣泛應用.

　　自1993年COMPASS投入運行以來，一直有專門小組對其進行維護和推廣應用.在開發QuickFEM的同時，按照飛機設計所的需要，開發出與MSC Patran和MSC Nastran商用軟件的數據接口;建立新的用戶界面，開發專用程序，實現顫振、靜彈和優化數據的自動生成，改善前后置處理功能;增加滿應力設計模塊，包括應變能二次優化、層板鋪層均衡設計以及桿與板的穩定性計算等功能.這使COMPASS成為具有22條固定流程、可進行帶外掛翼面(復合材料和金屬)結構分析(含靜力、動力、靜彈和顫振等)、滿足結構靜強度(應力/應變、位移和穩定)約束的滿應力設計及符合靜力、動力和氣動彈性要求的多約束優化設計(含氣動彈性剪裁功能)軟件.近年來，相繼推出多個微機版本，廣泛應用于飛機結構初步設計和詳細設計，成功用于航空和航天部門的十幾個型號工程項目中，成為這些部門設計工程師的適用工具和得力助手.

　　(2)“結合試驗”，將開發計算機輔助結構試驗軟件和試驗仿真軟件作為新的突破口，以輔助飛機結構強度試驗設計.

　　①計算機輔助結構試驗CATAS.該系統主要功能包括計算機輔助試驗方案設計、試驗加載系統設計、結構響應分析以及試驗與分析相關性評估等.CATAS主要用于飛機全尺寸結構靜力試驗，通過計算機輔助設計縮短試驗周期、提高試驗質量;通過計算與測量結果一致性評估，為飛機結構強度給出計算與試驗結合的全面評價，為飛機結構改進和改型提出建議.

　　②飛機結構強度虛擬試驗系統.21世紀以來，開展全尺寸飛機結構強度虛擬試驗基礎技術研究.該項目采用計算結構技術和計算機仿真技術，開展飛機結構強度積木式虛擬試驗技術和方法研究.通過虛擬試驗環境(實驗室)，靜強度、動強度、熱強度、耐久性和損傷容限虛擬試驗流程和試驗數據庫的建立，以及虛擬測試、試驗與分析評估等模塊的集成開發，建成飛機結構強度虛擬試驗總體平臺(其框架見圖2)，形成全尺寸飛機結構強度全過程的試驗仿真能力，達到縮短飛機結構強度驗證試驗周期、減少驗證試驗項目、降低成本、提高飛機結構分析質量和強度驗證試驗水平的目標.

　　圖2 飛機結構強度虛擬試驗總體平臺框架

　　目前建立的飛機結構強度試驗數據庫包括元件特性試驗數據庫、飛機壁板穩定性試驗數據庫、全機靜力或疲勞試驗數據庫以及起落架落震或擺振試驗數據庫;建立靜強度、動強度、熱強度、耐久性和損傷容限虛擬試驗流程，并在型號試驗中得到考核與應用，見圖3和4.

　　圖3全尺寸飛機全機靜力虛擬實驗

　　圖4起落架擺振虛擬實驗

　　(3)“突出專用”，開發適用于飛機結構設計和分析的專用軟件.在國外軟件的沖擊面前，按照“有所為，有所不為”的指導思想，根據國內航空業需求開發專用軟件.針對飛機設計過程，不求大而全、但求專而精，提供一系列專用軟件并得到廣泛應用.

　　①飛機結構強度分析軟件STRANAS.針對結構分析后的強度評估問題，中國飛機強度研究所以MSC Patran平臺開發出STRANAS.開發中采用具有大量試驗數據依據的結構強度工程分析方法，建立STRANAS強度分析方法庫;系統集成開發材料庫和型材剖面特性庫，為快速有限元建模和強度分析提供數據庫;集成HAJIF和MSC Nastran等有限元分析程序系統，所得飛機結構總體應力分析結果直接作為STRANAS完成強度分析的基礎數據.因此，STRANAS的開發成功可實現飛機結構強度校核程序化與飛機結構總體分析一細節強度校核一體化，為廣大飛機結構強度分析工程師提供方便、可靠而有效的分析工具.該軟件在型號設計和強度分析中得到應用.

　　②飛機結構耐久性和損傷容限及可靠性分析系統ADDRAS.該系統以國內航空工業常用的結構耐久性和損傷容限分析方法為基礎，以大量結構試驗數據為支撐開發，適用于飛機設計、生產、試驗和使用各環節，滿足國軍標要求的先進的軍用飛機耐久性和損傷容限評估體系.ADDRAS能以EIFS和DFR法為中心，適當顧及其他耐久性分析方法，具有一定程度的智能化再設計功能，分析數據可自動生成，后置處理與耐久性分析報告要求相一致，滿足飛機設計可能用到的材料與結構形式的需要，數據庫具有查詢、打印和修改功能，數據庫與分析系統能方便連接，便于數據調用.

　　目前，ADDRAS已被廣泛用于軍、民機結構的疲勞普查以及結構細節的耐久性和損傷容限評定，同時在一些民用項目中得到推廣應用.

　　③飛機著陸和滑跑載荷優化設計系統ALTLAS.該軟件是起落架著陸、滑跑和剎車動載荷分析及綜合性能優化設計的專業軟件，主要功能有：起落架緩沖器參數識別;起落架著陸載荷分析;起落架滑跑載荷分析;起落架著陸和滑跑載荷多目標優化;起落架落震試驗仿真系統動力學模擬;全機對稱著陸和滑跑載荷分析;全機非對稱著陸和滑跑載荷分析.ALTIAS是目前國內飛機設計所普遍采用的起落架緩沖性能數值仿真軟件，已被成功應用于10余個型號起落架的研制或改型設計.

　　④飛機結構三維溫度場分析軟件ASTSA.ASTSA是自主研發的飛機結構三維溫度場分析專業軟件，主要解決離散結構溫度場分析問題.利用它可以求解連續體或離散結構的穩態、瞬態、線性及非線性溫度場.該軟件具有豐富的單元庫，涵蓋多種邊界條件，具有齊全的熱分析功能.ASTSA不僅有專門的接觸熱阻單元，還有配套使用的飛機典型組合結構接觸熱阻參數庫，并開發氣動和溫度場耦合分析功能，具有基于MSC Patran平臺的前后置處理系統.該軟件已被廣泛應用于航空和航天部門的熱結構設計，并成功解決航空和航天部門的多個飛行器結構熱分析問題.

　　1.3 自主CAE軟件開發的經驗和教訓

　　從自主CAE軟件的發展過程中獲得許多寶貴的成功經驗和深刻教訓.

　　(1)政府(領導)支持是關鍵.航空工業部門領導大力支持并組織精干的技術隊伍，開發成功一系列航空結構分析系統，解決一些飛機型號設計中的關鍵問題.

　　(2)人才隊伍是關鍵.30年的發展歷程表明，好的CAE軟件離不開高水平的結構分析和軟件開發人員;軟件的維護發展也離不開這批人才隊伍，只有擁有和長期保持這批隊伍的穩定，已開發軟件才能得到維護和發展;否則，便會使已開發軟件的壽命提前結束.

　　(3)創新技術是生命線.CAE軟件開發若沒有創新技術，則在開發完成之時就可能被淘汰，因此國產軟件必須有幾個自己的亮點和創新點.

　　(4)充分利用國內外軟件成果.應避免低水平重復開發，不求大而全，著重推出符合國內情況的、并具有與國外系統良好聯合求解能力的專用軟件.

　　(5)技術支持和服務是發展動力.軟件只有不斷被應用和維護才有生命力，只有為用戶提供全方位的技術支持和服務，才能不斷發展壯大.

　　(6)開發與維護脫節造成有些自主軟件“自生自滅”的結果.在軟件開發結束后，沒有后續經費支持，隨著人員流動、項目更迭、隊伍解散，軟件得不到維護，有些被市場淘汰.這是非常沉痛的教訓.

　　(7)“小作坊”模式開發，自產自銷，開發與市場營銷脫節，未形成軟件產業.

　　CAE技術在制造業和國民經濟各領域被廣泛應用，是提升企業自主創新能力和國際競爭力的關鍵技術.建立具有自主知識產權的CAE軟件產業，對我國正在構建的以企業為主體的國家創新體系具有十分重要的戰略意義.

　　2航空工業的快速發展需要大力發展CAE技術并建立自主CAE軟件產業

　　2.1新形勢下CAE技術發展需求分析

　　現階段，我國經濟發展已進入產業升級的關鍵時期，自主創新將成為重點和主要標志，航空工業也將進入新的快速發展時期，其跨越式發展需要大力發展CAE技術并建立CAE軟件產業.

　　2.1.1航空產品生命周期全過程需要與其相適應的CAE技術和軟件工具

　　飛機和發動機等航空產品的研制環節見圖5.航空產品的生命周期全過程都需要CAE技術，包括不同設計階段的優化設計技術、結構強度分析、制造新工藝仿真分析、試驗設計與虛擬試驗及定壽與延壽等.CAE技術已越來越成為改進產品設計、提高產品設計質量、減少樣機試驗周期和成本的核心技術，也成為工程設計人員不可缺少的工具.

　　圖5航空產品研制基本過程

　　2.1.2 航空平臺發展需要強有力的基礎手段和CAE軟件工具

　　軍民機的不斷發展，將推出多種型號飛機，新型號的研制需要新結構設計理念與方法、新材料與新工藝、新結構形式、新規范體系，更需要大力發展引領和支撐研發設計能力的核心技術——CAE技術和開發自主CAE軟件.只有這樣，才能滿足航空平臺的發展需求.

　　2.1.3 航空工業的數字化工程，對CAE技術和CAE軟件提出更高要求和更大需求

　　航空工業的數字化工程是國家數字化工程的重要組成部分.CAE技術是航空工業研發能力的制高點，是實現航空工業裝備信息化和數字化的核心技術.產品研發數字化技術包括CAD，CAE，CAM，CAPP，PDM和ERP等.通過運用CAE技術，采用CAD/CAE/CAM一體化集成技術，縮短產品開發周期、降低產品開發及制造成本;采用”虛擬試驗”技術，加快設計進度，替代部分物理試驗，減小研制成本;采用產品型號研制的數字化設計、分析與驗證，建立新的以自主創新為核心的飛機型號研制體系，將極大提高航空產業核心競爭力，實現航空工業跨越式發展.

　　2.2 國外軟件不可能完全滿足航空工業持續發展

　　當前，航空各部門采用的大部分CAE軟件是國外商用軟件，最流行的有MSC Nastran，ANSYS，ABAQUS，MSC Adams，Marc，MSC Dytran，MSC Patran和Femap等.使用這些軟件能推動CAE技術在航空工業部門的應用，也可以解決許多航空產品設計與分析問題，但存在如下嚴重問題：

　　(1)CAE軟件技術不僅是衡量國家科學計算水平的標志，而且是事關國家核心競爭力和國家安全的戰略技術，由于發達國家對技術的壟斷與封鎖，我國無法買到核心技術。

　　(2)僅靠購置國外軟件不能完全解決型號問題，封裝的國外軟件無法加入自主創新技術，直接影響航空產業升級及跨越式發展，影響自主設計思想的實現;

　　(3)靠購置國外軟件，沒有自主CAE軟件的集成發展平臺，不能集成國內科研院所的大批CAE科研成果，更不能形成自主的CAE軟件產業.

　　顯然，長期依賴國外軟件絕不是自主創新之道，只有大力發展自主CAE技術，構建自主CAE軟件平臺，才能將創新的科研成果在自己平臺上集成和延續，并有望跟上科技發展的時代潮流，在未來的高端科技發展中把握機遇、贏得主動.也就是必須走獨立自主、自力更生的道路.

　　2.3形成自主CAE軟件產業的條件分析

　　綜上所述，我國必須也有條件發展有自主知識產權的CAE軟件：

　　(1)經過30多年的技術和經驗積累，某些技術已具有國際先進水平，特別是那些有一定用戶群的國產軟件將是自主CAE軟件產業形成和發展的堅實基礎;

　　(2)掌握先進的軟件開發技術，培養出1支軟件開發隊伍;

　　(3)國際先進計算機軟件技術的發展，產生大量的先進軟件開發工具，為自主CAE軟件的研發提供有利條件;

　　(4)國家大力提倡創新，良好的大環境和機遇必將迎來國產CAE軟件產業大發展的春天.

　　3 航空自主CAE軟件產業發展思路

　　3.1技術層面

　　(1)采用現代CAE新技術，將現有自主軟件商品化：①改造數據管理系統和執行控制系統;②補充基礎單元庫;③完善求解器;④開發與現有CAD/CAE軟件的接口;⑤嚴格軟件測試，增強自主軟件的健壯性和魯棒性.

　　(2)以基礎試驗數據為核心，按照多學科設計思想整合專業軟件，形成具有核心知識產權的專業軟件模塊，使得自主CAE軟件產品系列化：①改造和整合現有專業軟件;②建立元件、組件、部件和整機試驗數據庫;③集成開發強度校核、復合材料、耐久性和損傷容限分析、振動與噪聲、熱強度以及綜合環境等新功能專業模塊.

　　(3)采用先進CAE軟件技術，建立高起點的航空CAE軟件基礎平臺：①先進的數據管理系統和執行控制系統;②開放的基礎單元庫;③靜動力分析方法庫;④功能模塊的標準接口，以及與現有CAD/CAE軟件無縫集成接口;⑤開發便于發展的二次開發工具.

　　平臺建立后，航空產品設計與分析就有了具有自主知識產權的工具;自主核心技術的研究成果就有了“生根開花”的土壤;各具特色的專業軟件就有了可集成的平臺.在此基礎上，再進一步集成開發產品結構設計優化、分析、評估與全過程仿真的一體化CAE軟件系統，建立自主CAE軟件品牌，形成自主CAE軟件產業.

　　3.2管理層面

　　3.2.1政策扶持，重點投資

　　CAE軟件產業的形成與發展必須依靠政府的政策扶持和經濟支持.在20世紀七八十年代，航空工業部投入一定資金，組織專門隊伍，研制成功航空結構分析系統，為飛機研制起到重要作用.自主航空CAE軟件產業的形成和發展，仍須得到航空工業部門在政策上扶持和經濟上支持，這是形成自主CAE軟件產業的前提和保障條件.

　　3.2.2培養人才，建立團隊

　　創立自主CAE軟件產業，需要大批高素質的軟件研發(包括維護、推廣應用和營銷)人才及團隊.從大學教育開始，加強基礎課程教育，改變學生只會用進口程序計算的局面，努力培養既懂專業知識又有軟件開發技能的復合型人才;倡導研究生利用自主CAE軟件開展創新研究;建立若干國家級及省部級CAE理論研究和軟件開發技術中心，培育CAE產業龍頭隊伍.

　　3.2.3面向市場，機制創新

　　自主CAE軟件產業的壯大，最終靠的是政府指導下的機制創新和市場運作.正確處理開發與維護人員的利益分配，建立市場營銷機制，組建營銷隊伍，逐步建立軟件開發、維護與營銷一體化的合理機制，將自主CAE軟件產業做大做強.

　　4 結束語

　　回首過去：走過自主CAE軟件從無到有的歷程，獲得一批部級和國家級科技進步成果，為新機研制貢獻力量，為國產CAE軟件的發展打下良好基礎.

　　喜看現在：以“在競爭中求生存、在應用中求發展”和“面向設計、結合試驗、突出專用”為指導思想，圍繞優勢領域，針對型號需求，發展自主軟件和提供技術服務，取得一定的經濟和社會效益，為航空工業的發展作出貢獻.

　　展望未來：發展自主CAE軟件產業正逢其時，大力發展CAE領域先進技術，拓展新的應用領域，在政府支持下，開拓創新，將自主CAE軟件推向產化.