杨鼎宁：中国CAE的创新实践

    ■ 哈尔滨工程大学 杨鼎宁
CAE技术源起与发展
计算机改变了现代力学发展的轨迹，最为明显的体现便是在CAE技术上。算法日益成熟，前后处理手段日趋先进，力学分析的广度、效益、精度显著提高，仿真使越来越多的人跨越天书一般的经典力学门槛，可以经由简单的操作，得出较为丰富的工程求解。
上世纪七十年代，经由钱令希、钟万勰、程耿东等人的大力倡导，以及航空、航天、船舶、机械部门卓有成效的工作，有限元技术被引入到我国，开始在主流行业中应用。当时我国各行业活跃着一批辛勤的力学工程师，他们大部分的工作是剖解网格，手工定义单元，提交求解，有限元技术推动成千上万的人步入数值分析领域，同时也消耗着大量的人力、物力。上世纪九十年代初，在与国外进行水电工程合作中，我们注意到，与国内基本靠手工的FORTRAN程序输入不同，国外趋于采用成熟的商用软件包，其前后处理功能完备，单元、算法丰富，结构分析的质量、效益都高于国内。为此，（原）机械部决定组织队伍，跟踪该项技术，进而在全国推广。
1992年，机械部大电机研究所与哈尔滨电机厂通过贷款，联合购进三十台SGI工作站，安装I-DEAS系统。水轮机集力热电声磁技术于一身，从中选取非线性接触、优化、稳定性、振动、热/流场分析五项技术，组建攻关团队。化解模块，探究原理，斟取模型，分工调试，并将仿真结果与已运营机组的现场实测值比对分析，确认可行后，进而将技术向新型号落实。期间累计调阅文献万余篇，建立调试模型十余万个。赶上九十年代国内水电事业大发展，CAE担当开发主力，先后完成江口、水口、五强溪、小浪底、莲花、十三陵、岩滩等一系列机组的结构分析、优化，对转子、上下机架、转子支架、推力轴承、镜板、座圈、定子机座等关键部件实现仿真分析。我们采用GAP元解决转轮叶片配合问题，利用机构分析、稳定性分析、热分析查找结构设计缺陷，运用形状/尺寸/拓扑优化为单座电站五强溪节省五百余吨钢材。新的CAE技术手段的应用使国内工程界受益匪浅，把原来手动前后处理的大量人力解放出来，这样可以有多余的精力做更有价值的工作。以前，分析一部转轮的强度，针对一种设计方案，需要耗费四个月的人力时间。而我曾利用半天时间就完成了建模并求解完一部大型转轮，效益非常明显。此外，由于当时国外水电资源已开发殆尽，为了争夺中国宝贵的水电资源开发权，国外大厂商纷纷携先进技术来华展示，我方籍此建立交流渠道，其中包括日本三菱、日立、东芝，以及欧美的GE、ABB、西屋、西门子等。经过不懈的努力，国内水电机组由厚重变得精巧，运行性能效率获得明显改善，与国外的交流也逐渐走向对等，开发三峡期间，甚至ABB工程师下到试验室采测数据，由我方担纲分析。五年多的工作，使发电设备成为国内CAE最先与国外接轨的领域。CAE技术也由此拓展到核电、特电、船舶等相关领域。
航天科技有个显著特点，就是动力学分析占主导，试验体系完备。在火箭总体研究领域，自主编写的软件占支配地位，这些软件，对于分析火箭基本动力学特性，完全可以胜任，因此，外部软件的进入似乎缺乏必要的理由。从1997年开始，一方面结合一维箭体建立舱段三维模型，考察箭体局部斜率，满足921（神舟）工程细节分析的需要；另一方面，在国内率先开展火箭箭体随机动力学响应；同时开发惯性释放等项技术。特别的，在我方与美国卫星厂商进行星箭对接协调时，外方要求我方提供箭体的NASTRAN模型数据。当时突出的感觉是，结构动力学分析关乎火箭事业的成败，国外提供的分析程序，设置门槛高，操作难度大；其与试验的结合，及系统化建模有待深层次的工作；软件内存玄机，规模宏大，离全面工程运用还有很艰难的路要走。
2002年完成国内首枚巡航导弹惯导平台动力学分析，实现了全平台一体化求解。经过进一步技术储备，于2003年着手解决直九整机动力学问题，内容包括悬挂/机体耦合特性，阻尼机制，整机动力学响应等。直九源于法国，海外称之为海豚，属于多用途直升机，性能优良。其桨毂结构先进，吊篮式机体上包含减振装置，所用材料也以复合材料居多，建模求解难度高于运载火箭。直升机整机振动一直是航空航天界公认的“硬骨头”。法方不向我国转让技术，国内曾组织振动专家，对直九进行解析，但得出的结果与实际大相径庭，结论与其实际发展相背离。在此，融汇经典振动理论、现代有限元、隔/吸振三领域资源，调用CAE底线技术，对机体/悬挂进行精致建模，并组织现场试验，协同采集、激励、相关分析。历经4年近千轮解算，模型日臻完善，得出与实测数据高度吻合的仿真结果。至此破解了直九结构，直升机设计的精妙得以洞悉。
从大型直升机的建模求解实践来看，其与通用结构明显不同。飞行器整机动力学影响因素多，求解的不确定性大。建模时，要求领会飞行器的结构承载机理，阻尼机制，通晓载荷传递方式；求解方面要求全机一盘棋加以统筹考虑。而且，软件的限制条件多，涉及的技术窍门多，软件供应商提供的指导性技术文件又少，需要突破许多经典理论的框框，破解技术黑匣，巧妙规避许多障碍，才能达至正确的解。难能可贵的是，在直九研究中，我们跨越了这些障碍。直九结构中复合材料占相当大比重，材料即结构，结构即材料，我们将其纳入机体模型，并将其运用效能加以对比。直升机整机仿真的实现及其减振技术的突破，为航空业的进一步发展打开了美好前景。
定翼机领域，我国三代强度工程师克服各方面条件限制，先后开发出HAJIF、YIDOYU、CIEM等著名系统，支撑型号开发，为打破国外技术/软件垄断，创立自主CAE体系，创造条件。船舶领域，借助国际合作平台，陆续向德国、挪威、日本、韩国、俄罗斯等国派遣技术团队，交流建模求解技术，促进国内舰船设计能力变革。此外，CAE在汽车、兵器、建筑、电子等领域也取得突飞猛进的发展，广泛参与到各领域开发，对整个工程界的发展起到了很好的提升。
通往结构完整性之桥
伴随着产业发展，结构设计的理念在不断更新。20世纪五十年代以前，采用静、动强度设计，其后出现了抗疲劳设计，70年代发展到破损安全、耐久性、损伤容限设计，目前通行的是结构完整性设计。结构完整性是关系到产品安全使用、使用费用和功能的结构强度、刚度、损伤容限及耐久性（安全寿命）的结构综合特性。要求结构在承受各种规定的载荷和环境条件下，保证具有足够的强度，不产生不能容许的残余变形；具有足够的刚度，或采取其他措施以避免发生不能容许的变形与振动问题;具有足够的寿命和损伤容限以及高的可靠性。在保证上述条件下，最大限度地设计出高效率（小质量比）的优良结构。CAE是结构通往完整性的桥。
完整、有力、一流的CAE体系支撑数字化设计、制造。CAE支持总体设计、结构设计、工艺设计的融和并行，实现系统/部件设计、专业分析、试验、生产准备的在线协调。与数字化管理(PDM)结合，CAE服务于产品的全生命周期，从结构设计、性能评定到工艺制造过程仿真及产品检测与维护。与之相适应，要求CAE工程师从单专业分析为主，转向多专业（结构、流体、热、电磁等性能）协同仿真分析；从阶段性单一任务角色，投身设计、分析、制造及虚拟试验的整个流程；从单一专业软件运用，转向CAD/CAE/CAT集成平台环境。
CAE发展精要
这里将CAE实践所得经验归结为以下四个方面。
首先，精致建模。CAE的成功源自精致建模——模型干净利落，求解一气呵成。好的模型，通过仿真，可以查之秋毫；但坏的模型，也可能谬之千里，引出错误的结论。需要通晓各类单元的内在机理，辅以娴熟技能，模型方能达精。精致建模并不是主张越繁越好，越细越好。良好的动力学分析需要删繁就简，合理简化。同时精炼的模型也便于试验相关。对于大型复杂结构，提倡两条腿走路：一方面，如何对其简化提炼，表达整体特性，服务于总体分析，解决总体特性问题；另一方面，如何有效的刻画细节，建立详细模型，使其显现局部特征，解决部段问题。两者之间，即总体简化模型与细节模型之间，注重协调，这方面火箭领域发展经验值得借鉴。
其次，突破解析。一方面，充分利用解析法简单明了的优势，另一方面发挥CAE大规模建模、大规模求解、体察入微的仿真长处，突破解析法的盲点和禁区，实现后者立足前者，前者超越后者。直九CAE项目，不仅成功探索出整机结构机理，承力、传力机制，实现悬挂/隔振仿真，而且纠正了以往国内权威解析中的错误，揭示出复杂体系结构动力学的内在奥妙，为直升机的后续发展扫除障碍。大型结构局部特性（模态）丰富，需要综合运用解析法、数值法，并以后者为主。
第三，升华技术。基于CAE，洞悉产品设计精髓；利用CAE，揭示产品机理奥妙。实现CAE技术与产品理论同步升华。通过每一轮仿真，提高对产品强度、刚度、稳定性、可靠性认识；透过分析，摸索产品构造机制、核心，进而成竹在胸，了然于“型”（模型），晓之以“理”（后处理）。以所开发的核电重点装备主泵飞轮为例，对比单层旋转、双双过盈、旋转松脱以及多级松脱四种不同形式的仿真，我们总结出过盈/松脱一体化理论，可以用于解耦多配合圆盘，实现逐级松脱设计，拓展了经典力学理论。
第四，着力创新。自主创新的成败，关键在CAE。好的原型设计可以来自国外，但我们必须消化，消化和吃透的途径是CAE；消化，进而自主创新，其秘诀也是CAE。追寻创新这个目标，要求围绕产品合理地组织（CAE）技术，围绕（CAE）技术合理地组织产品。调用CAE的数值、几何、知识资源对产品的力/热/电/声/磁展开综合分析，进而优化其结构，也即达到了自主创新的最高境界。CAE技术的成熟，拉动产业技术进步，自主创新便是水到渠成的事。
此外，CAE注重协作交流。直升机方面，NASA1984年发起DAMVIBS工程，组织贝尔Bell、波音Boeing、麦道McDonnell Douglas、西科斯基Sikorsky四大航空巨头，共同研究复杂件建模及整机减振技术，进行仿真/试验/减振分析一揽子统筹。从这次四川救灾中美国黑鹰直升机的“抢眼”表现可以切身体验西方先进国家CAE研发的成效。
软件方面，主流商业软件提供相对稳定的环境，可以籍此总结问题，汇聚经验，集成开发，支持协同。主流软件之间相互开放，也可达成全球范围的知识/经验/模型汇聚、共享。取它山之石，可以攻玉。借助于频繁的技术交流以及国内业界的努力，事实上笼罩在国际通用程序上的神秘光环正在逐渐褪色，它的核心技术中大部分已被国内消化吃透，它现在的含金量已经大幅缩水。国外软件退，国产软件进，是未来发展总的趋势，国内工程界、科技界，对于国产软件信心正越来越足。2005年，我们探索出CAE框架技术，对于突破成型商用软件的框框，开阔思路，开拓创新事业，大有好处。
让CAE实践走得更远
CAE提升了有限元技术的节奏，提高了力学（结构）分析的成效（根据我们的统计，CAD提高设计效率在3倍以上，CAE提高工程分析能力达30倍以上）。CAE的大规模建模能力，使我们可以对大结构信手拈来；CAE的求解能力，助我们破解高技术产品的内在玄机，洞察其中奥秘。它的进步，标志着国内结构设计/结构分析技术的成熟；它的成功，触动了整个工程界。经历二十余年奋力发展，国内已经建成成熟、稳健的CAE技术体系，培养起一批精通算法、业务熟练的CAE科研骨干。成长起来的新一代结构技术专家，足以勇挑重担。
CAE荟萃力学及工程专项技术，成为追赶国外先进技术的最佳平台。合理运用CAE仿真，可以弥平理论分析与试验之间的鸿沟，可以弥补先天性/经验性创新差距，同时也可以补齐学科发展落差。CAE扩张一个人所能调用的资源，大大增强了力学工作者驾驭工程的能力。
我们期望在不久的将来，建立CAE综合技术中心，以及国家重点装备模型库，存储国内外优良的CAE模型，以期共享成果，交流技术；实践方面，建议对主干行业，如航空、航天、机械、船舶、汽车、兵器、建筑桥梁等，提炼技术，诊断难题，协成攻关；同时，也期望结合CAE，对国内现有力学教育（及教材）体系做适应性调整，让CAE实践走得更远。