坚持自主创新 实现航空CAE软件的产业化发展

摘 要:回顾20世纪70年代至今,航空结构分析系统HAJIF系列软件的成功开发历程,总结坚持自主CAE软件开发的经验和教训,根据当前航空工业的需求和CAE技术的发展趋势,提出创建航空自主CAE软件产业的思路和建议.

关键词:航空自主CAE软件; 软件产业; 结构分析; HAJIF

中图分类号:F49; TP311.5; V271.4

文献标志码:A

Keeping independent innovation, implementing

industrialization development of aviation CAE software

SUN Xiasheng, DUAN Shihui, CHEN Huanxing

(Aircraft Strength Research Institution, Xi’an 710065, China)

Abstract: The successful development history from the seventies of 20th century is reviewed for the series software of aviation structure analysis system HAJIF. The experience and lessons of keeping independent innovation are summarized. Some ideas and suggestions are proposed for the industrialization development of national aviation CAE software according to the requirement of aviation industry and the developing trend of CAE technology.

Key words: independant aviation CAE software; software industry; structural analysis; HAJIF

1 航空自主CAE软件的发展历程[1]

1.1 拓展航空结构有限元分析软件

1975年,在原三机部领导支持下,中国飞机强度研究所副所长冯钟越先生在西安主持召开三机部第1届结构强度计算机应用交流会.会上决定成立由中国飞机强度研究所、631所、605所和628所等4个航空研究所组成的联合课题组,开发通用有限元程序系统,定名为“航空结构分析系统”,代号为HAJIF.

1976―1979年,联合课题组开发成功航空结构线性分析有限元程序系统HAJIF-I.这是我国航空领域第1个大型结构分析系统.利用HAJIF-I已完成多个在研型号的全机或部件的应力分析,大大推动CAE技术在航空工业中的应用.该系统获航空工业部一等奖,国防科工委一等奖,国家科技进步二等奖.

1980―1981年,成功研制航空结构动力分析系统HAJIF-II.这是我国航空领域第1个大型结构动力分析系统.HAJIF-II的固有动力特性计算方法先进、可靠,曾解决J8等型号的颤振分析问题,至今仍在飞机设计中应用.该系统获航空工业部二等奖,并与HAJIF-I合并,获国家科技进步二等奖.

1979―1982年,成功研制飞机结构多约束优化设计系统YIDOYU.这是我国航空领域第1个飞机结构优化设计系统,增强了在有限元基础上的优化设计能力,YIDOYU的机翼模型数据生成能力强且简单、实用.该系统获航空工业部一等奖,并获国家科技进步二等奖.

1981―1985年,成功开发我国第1个大型通用结构非线性分析系统HAJIF-Ⅲ.该系统的非线性求解策略先进,解决了轰炸机机翼弹塑性和稳定性分析问题,为设计提供依据;达到当时同类系统的国际先进水平,获国家科技进步一等奖.

1989年,在动强度设计矛盾突出的情况下,成功开发“飞机结构振动环境预计系统VEP”,该系统获国家科技进步二等奖.

1992年,随着复合材料日益得到应用,成功开发“复合材料结构分析与优化系统COMPASS”.该系统在复合材料翼面结构综合设计方面能力强,具有多学科优化设计功能,在多个型号研制中得到应用,获航空工业部科技进步二等奖.

1990―1995年,成功研制大型通用有限元结构分析程序系统HAJIF(X).该系统可对结构进行静力线性和非线性分析、固有特性分析、动力响应分析、热传导分析、声响分析、流固耦合分析、复合材料分析以及多级超单元分析.HAJIF(X)于1995年12月通过中国航空工业总公司组织的专家评审,已应用于多个飞机型号的结构分析,于1996年获中国航空工业总公司科学技术进步二等奖.

20世纪80年代初,在认识到系统集成的重要性后,航空工业部组织力量,以西门子7760计算机为平台,建立7760 CAD/CAE/CAM系统,首次完成系统集成尝试.1986―1995年,以IBM 4341为平台,开发出初具规模的CAD/CAE/CAM集成系统――CIEM系统,集成总体、气动力、结构强度、气动弹性和CAM几个专业的应用程序.该系统获航空工业部一等奖,并获国家科技进步二等奖.

经过这十几年的努力,联合课题组研制与开发成功一系列结构分析与优化设计应用软件.这些软件在功能、软件技术及解决问题能力等方面均居国内领先地位,某些方面达到或接近当时的国际先进水平,形成国内具有自主知识产权的航空结构分析与优化设计软件,获航空工业部和国家多项科技进步奖,已在航空、航天及民用工程项目中发挥重要作用(见图1),打破国外在CAE软件行业的垄断和对中国的封锁,使国外软件由有限制的高价租用逐步转为放开销售.更重要的是培养和形成1支计算力学研究与软件开发的过硬队伍,为进一步发展航空自主CAE软件奠定良好基础.

1.2 夹缝中求得特色发展

从20世纪90年代开始,大批国外软件涌入中国市场,各航空厂所均根据应用需求,购入多种商用CAE软件,如MSC Nastran,ANSYS,ABAQUS和Marc等.这在一定程度上满足飞机设计需求,推动CAE软件在航空工业中的应用,但这些软件价格昂贵并有一些使用限制,而且严重影响自主CAE软件的开发进程.有段时间几乎听不到开发自主CAE软件的声音,相关管理部门支持国产软件发展的力度也大幅下降.自主CAE软件的开发在人力、财力和物力上都遇到很多困难,其发展举步维艰.尽管如此,HAJIF人没有退缩,坚持高举自主创新大旗朝前走!在中国飞机强度研究所,仍有1支充满活力的科研队伍,本着“面向设计、结合试验、突出专用”的发展思路,在竞争中求生存,在应用中求发展,不断发展壮大航空业拥有自主知识产权的CAE软件.

(1)“面向设计”,将优化设计软件品牌做大做强.以服务于型号设计为宗旨,在COMPASS基础上,与飞机设计所紧密合作,增加功能、增强多层次优化能力,解决不同设计阶段的工程需求.

首先,增加翼面结构快速建模功能,开发并集成飞机翼面结构有限元快速建模软件模块QuickFEM.该模块根据机翼的结构特性,快速建立结构布局平面图;根据展向的翼型布置和平面网格,能快速生成结构的三维坐标;自动生成结构静力、振动、颤振、静弹、分析及满应力优化数据文件,其建模效率已得到设计部门的认可和广泛应用.

自1993年COMPASS投入运行以来,一直有专门小组对其进行维护和推广应用.在开发QuickFEM的同时,按照飞机设计所的需要,开发出与MSC Patran和MSC Nastran商用软件的数据接口;建立新的用户界面,开发专用程序,实现颤振、静弹和优化数据的自动生成,改善前后置处理功能;增加满应力设计模块,包括应变能二次优化、层板铺层均衡设计以及杆与板的稳定性计算等功能.这使COMPASS成为具有22条固定流程、可进行带外挂翼面(复合材料和金属)结构分析(含静力、动力、静弹和颤振等)、满足结构静强度(应力/应变、位移和稳定)约束的满应力设计及符合静力、动力和气动弹性要求的多约束优化设计(含气动弹性剪裁功能)软件.近年来,相继推出多个微机版本,广泛应用机结构初步设计和详细设计,成功用于航空和航天部门的十几个型号工程项目中,成为这些部门设计工程师的适用工具和得力助手.

(2)“结合试验”,将开发计算机辅助结构试验软件和试验仿真软件作为新的突破口,以辅助飞机结构强度试验设计.

①计算机辅助结构试验CATAS.该系统主要功能包括计算机辅助试验方案设计、试验加载系统设计、结构响应分析以及试验与分析相关性评估等.CATAS主要用机全尺寸结构静力试验,通过计算机辅助设计缩短试验周期、提高试验质量;通过计算与测量结果一致性评估,为飞机结构强度给出计算与试验结合的全面评价,为飞机结构改进和改型提出建议.

②飞机结构强度虚拟试验系统[2].21世纪以来,开展全尺寸飞机结构强度虚拟试验基础技术研究.该项目采用计算结构技术和计算机仿真技术,开展飞机结构强度积木式虚拟试验技术和方法研究.通过虚拟试验环境(实验室),静强度、动强度、热强度、耐久性和损伤容限虚拟试验流程和试验数据库的建立,以及虚拟测试、试验与分析评估等模块的集成开发,建成飞机结构强度虚拟试验总体平台(其框架见图2),形成全尺寸飞机结构强度全过程的试验仿真能力,达到缩短飞机结构强度验证试验周期、减少验证试验项目、降低成本、提高飞机结构分析质量和强度验证试验水平的目标.

目前建立的飞机结构强度试验数据库包括元件特性试验数据库、飞机壁板稳定性试验数据库、全机静力或疲劳试验数据库以及起落架落震或摆振试验数据库;建立静强度、动强度、热强度、耐久性和损伤容限虚拟试验流程,并在型号试验中得到考核与应用,见图3和4.

(3)“突出专用”,开发适用机结构设计和分析的专用软件.在国外软件的冲击面前,按照“有所为,有所不为”的指导思想,根据国内航空业需求开发专用软件.针对飞机设计过程,不求大而全、但求专而精,提供一系列专用软件并得到广泛应用.

①飞机结构强度分析软件STRANAS.针对结构分析后的强度评估问题,中国飞机强度研究所以MSC Patran平台开发出STRANAS.开发中采用具有大量试验数据依据的结构强度工程分析方法,建立STRANAS强度分析方法库;系统集成开发材料库和型材剖面特性库,为快速有限元建模和强度分析提供数据库;集成HAJIF和MSC Nastran等有限元分析程序系统,所得飞机结构总体应力分析结果直接作为STRANAS完成强度分析的基础数据.因此,STRANAS的开发成功可实现飞机结构强度校核程序化与飞机结构总体分析―细节强度校核一体化,为广大飞机结构强度分析工程师提供方便、可靠而有效的分析工具.该软件在型号设计和强度分析中得到应用.

②飞机结构耐久性和损伤容限及可靠性分析系统ADDRAS.该系统以国内航空工业常用的结构耐久性和损伤容限分析方法为基础,以大量结构试验数据为支撑开发,适用机设计、生产、试验和使用各环节,满足国军标要求的先进的军用飞机耐久性和损伤容限评估体系.ADDRAS能以EIFS和DFR法为中心,适当顾及其他耐久性分析方法,具有一定程度的智能化再设计功能,分析数据可自动生成,后置处理与耐久性分析报告要求相一致,满足飞机设计可能用到的材料与结构形式的需要,数据库具有查询、打印和修改功能,数据库与分析系统能方便连接,便于数据调用.

目前,ADDRAS已被广泛用于军、民机结构的疲劳普查以及结构细节的耐久性和损伤容限评定,同时在一些民用项目中得到推广应用.

③飞机着陆和滑跑载荷优化设计系统ALTLAS.该软件是起落架着陆、滑跑和刹车动载荷分析及综合性能优化设计的专业软件,主要功能有:起落架缓冲器参数识别;起落架着陆载荷分析;起落架滑跑载荷分析;起落架着陆和滑跑载荷多目标优化;起落架落震试验仿真系统动力学模拟;全机对称着陆和滑跑载荷分析;全机非对称着陆和滑跑载荷分析.ALTLAS是目前国内飞机设计所普遍采用的起落架缓冲性能数值仿真软件,已被成功应用于10余个型号起落架的研制或改型设计.

④飞机结构三维温度场分析软件ASTSA.ASTSA是自主研发的飞机结构三维温度场分析专业软件,主要解决离散结构温度场分析问题.利用它可以求解连续体或离散结构的稳态、瞬态、线性及非线性温度场.该软件具有丰富的单元库,涵盖多种边界条件,具有齐全的热分析功能.ASTSA不仅有专门的接触热阻单元,还有配套使用的飞机典型组合结构接触热阻参数库,并开发气动和温度场耦合分析功能,具有基于MSC Patran平台的前后置处理系统.该软件已被广泛应用于航空和航天部门的热结构设计,并成功解决航空和航天部门的多个飞行器结构热分析问题.

1.3 自主CAE软件开发的经验和教训

从自主CAE软件的发展过程中获得许多宝贵的成功经验和深刻教训.

(1)政府(领导)支持是关键.航空工业部门领导大力支持并组织精干的技术队伍,开发成功一系列航空结构分析系统,解决一些飞机型号设计中的关键问题.

(2)人才队伍是关键.30年的发展历程表明,好的CAE软件离不开高水平的结构分析和软件开发人员;软件的维护发展也离不开这批人才队伍,只有拥有和长期保持这批队伍的稳定,已开发软件才能得到维护和发展;否则,便会使已开发软件的寿命提前结束.

(3)创新技术是生命线.CAE软件开发若没有创新技术,则在开发完成之时就可能被淘汰,因此国产软件必须有几个自己的亮点和创新点.

(4)充分利用国内外软件成果.应避免低水平重复开发,不求大而全,着重推出符合国内情况的、并具有与国外系统良好联合求解能力的专用软件.

(5)技术支持和服务是发展动力.软件只有不断被应用和维护才有生命力,只有为用户提供全方位的技术支持和服务,才能不断发展壮大.

(6)开发与维护脱节造成有些自主软件“自生自灭”的结果.在软件开发结束后,没有后续经费支持,随着人员流动、项目更迭、队伍解散,软件得不到维护,有些被市场淘汰.这是非常沉痛的教训.

(7)“小作坊”模式开发,自产自销,开发与市场营销脱节,未形成软件产业.

CAE技术在制造业和国民经济各领域被广泛应用,是提升企业自主创新能力和国际竞争力的关键技术.建立具有自主知识产权的CAE软件产业,对我国正在构建的以企业为主体的国家创新体系具有十分重要的战略意义.

2 航空工业的快速发展需要大力发展CAE技术并建立自主CAE软件┎业[3-4]

2.1 新形势下CAE技术发展需求分析

现阶段,我国经济发展已进入产业升级的关键时期,自主创新将成为重点和主要标志,航空工业也将进入新的快速发展时期,其跨越式发展需要大力发展CAE技术并建立CAE软件产业.

2.1.1 航空产品生命周期全过程需要与其相适应的CAE技术和软件工具飞机和发动机等航空产品的研制环节见图5.航空产品的生命周期全过程都需要CAE技术,包括不同设计阶段的优化设计技术、结构强度分析、制造新工艺仿真分析、试验设计与虚拟试验及定寿与延寿等.CAE技术已越来越成为改进产品设计、提高产品设计质量、减少样机试验周期和成本的核心技术,也成为工程设计人员不可缺少的工具.

2.1.2 航空平台发展需要强有力的基础手段和CAE软件工具军民机的不断发展,将推出多种型号飞机,新型号的研制需要新结构设计理念与方法、新材料与新工艺、新结构形式、新规范体系,更需要大力发展引领和支撑研发设计能力的核心技术――CAE技术和开发自主CAE软件.只有这样,才能满足航空平台的发展需求.

2.1.3 航空工业的数字化工程,对CAE技术和CAE软件提出更高要求和更大需求航空工业的数字化工程是国家数字化工程的重要组成部分.CAE技术是航空工业研发能力的制高点,是实现航空工业装备信息化和数字化的核心技术.产品研发数字化技术包括CAD,CAE,CAM,CAPP,PDM和ERP等.通过运用CAE技术,采用CAD/CAE/CAM一体化集成技术,缩短产品开发周期、降低产品开发及制造成本;采用”虚拟试验”技术,加快设计进度,替代部分物理试验,减小研制成本;采用产品型号研制的数字化设计、分析与验证,建立新的以自主创新为核心的飞机型号研制体系,将极大提高航空产业核心竞争力,实现航空工业跨越式发展.

2.2 国外软件不可能完全满足航空工业持续发展当前,航空各部门采用的大部分CAE软件是国外商用软件,最流行的有MSC Nastran, ANSYS, ABAQUS, MSC Adams, Marc, MSC Dytran, MSC Patran和Femap等.使用这些软件能推动CAE技术在航空工业部门的应用,也可以解决许多航空产品设计与分析问题,但存在如下严重问题:

(1)CAE软件技术不仅是衡量国家科学计算水平的标志,而且是事关国家核心竞争力和国家安全的战略技术,由于发达国家对技术的垄断与封锁,我国无法买到核心技术;

(2)仅靠购置国外软件不能完全解决型号问题,封装的国外软件无法加入自主创新技术,直接影响航空产业升级及跨越式发展, 影响自主设计思想的实现;

(3)靠购置国外软件,没有自主CAE软件的集成发展平台,不能集成国内科研院所的大批CAE科研成果,更不能形成自主的CAE软件产业.

显然,长期依赖国外软件绝不是自主创新之道,只有大力发展自主CAE技术,构建自主CAE软件平台,才能将创新的科研成果在自己平台上集成和延续,并有望跟上科技发展的时代潮流,在未来的高端科技发展中把握机遇、赢得主动.也就是必须走独立自主、自力更生的道路.

2.3 形成自主CAE软件产业的条件分析

综上所述,我国必须也有条件发展有自主知识产权的CAE软件:

(1)经过30多年的技术和经验积累,某些技术已具有国际先进水平,特别是那些有一定用户群的国产软件将是自主CAE软件产业形成和发展的坚实基础;

(2)掌握先进的软件开发技术,培养出1支软件开发队伍;

(3)国际先进计算机软件技术的发展,产生大量的先进软件开发工具,为自主CAE软件的研发提供有利条件;

(4)国家大力提倡创新,良好的大环境和机遇必将迎来国产CAE软件产业大发展的春天.

3 航空自主CAE软件产业发展思路

3.1 技术层面(1)采用现代CAE新技术,将现有自主软件商品化:①改造数据管理系统和执行控制系统;②补充基础单元库;③完善求解器;④开发与现有CAD/CAE软件的接口;⑤严格软件测试,增强自主软件的健壮性和鲁棒性.

(2)以基础试验数据为核心,按照多学科设计思想整合专业软件,形成具有核心知识产权的专业软件模块,使得自主CAE软件产品系列化:①改造和整合现有专业软件;②建立元件、组件、部件和整机试验数据库;③集成开发强度校核、复合材料、耐久性和损伤容限分析、振动与噪声、热强度以及综合环境等新功能专业模块.

(3)采用先进CAE软件技术,建立高起点的航空CAE软件基础平台:①先进的数据管理系统和执行控制系统;②开放的基础单元库;③静动力分析方法库;④功能模块的标准接口,以及与现有CAD/CAE软件无缝集成接口;⑤开发便于发展的二次开发工具.

平台建立后,航空产品设计与分析就有了具有自主知识产权的工具;自主核心技术的研究成果就有了“生根开花”的土壤;各具特色的专业软件就有了可集成的平台.在此基础上,再进一步集成开发产品结构设计优化、分析、评估与全过程仿真的一体化CAE软件系统,建立自主CAE软件品牌,形成自主CAE软件产业.

3.2 管理层面3.2.1 政策扶持,重点投资

CAE软件产业的形成与发展必须依靠政府的政策扶持和经济支持.在20世纪七八十年代,航空工业部投入一定资金,组织专门队伍,研制成功航空结构分析系统,为飞机研制起到重要作用.自主航空CAE软件产业的形成和发展,仍须得到航空工业部门在政策上扶持和经济上支持,这是形成自主CAE软件产业的前提和保障条件.

3.2.2 培养人才,建立团队

创立自主CAE软件产业,需要大批高素质的软件研发(包括维护、推广应用和营销)人才及团队.从大学教育开始,加强基础课程教育,改变学生只会用进口程序计算的局面,努力培养既懂专业知识又有软件开发技能的复合型人才;倡导研究生利用自主CAE软件开展创新研究;建立若干部级及省部级CAE理论研究和软件开发技术中心,培育CAE产业龙头队伍.

3.2.3 面向市场,机制创新

自主CAE软件产业的壮大,最终靠的是政府指导下的机制创新和市场运作.正确处理开发与维护人员的利益分配,建立市场营销机制,组建营销队伍,逐步建立软件开发、维护与营销一体化的合理机制,将自主CAE软件产业做大做强.

4 结束语

回首过去:走过自主CAE软件从无到有的历程,获得一批部级和部级科技进步成果,为新机研制贡献力量,为国产CAE软件的发展打下良好基础.

喜看现在:以“在竞争中求生存、在应用中求发展”和“面向设计、结合试验、突出专用”为指导思想,围绕优势领域,针对型号需求,发展自主软件和提供技术服务,取得一定的经济和社会效益,为航空工业的发展作出贡献.

展望未来:发展自主CAE软件产业正逢其时,大力发展CAE领域先进技术,拓展新的应用领域,在政府支持下,开拓创新,将自主CAE软件推向产业化.

参考文献:

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[4] 程耿东, 关振群. 发展国产CAE软件纵横谈[C]// 中国科学院技术科学论坛第二十三次学术报告会议论文集, 2006: 9-17.