航空CAE软件的发展与思考

航空CAE软件的发展与思考孙侠生段世慧中国飞机强度研究所，西安，710065摘要：本文通过回顾航空业自主知识产权的CAE软件发展历程，分析了目前面临的处境和现状，总结了经验和教训，结合当前的工程需求和技术发展，提出了下一步发展的建议。1航空业自主知识产权的CAE软件发展回顾计算结构技术是结构领域的一次革命性发展，使结构的理论计算变成一种实用工具，深刻地影响了结构设计思想和设计过程，也产生了一个新的领域一一计算机辅助工程CAE。CAE技术发展大致可分为四个阶段（与计算机硬件发展密切相关）：第一阶段是1950~1960年代，主要开发基本的结构分析程序，基于力法和简单的二维和三维位移有限元法。第二阶段是70年代，主要开发通用有限元程序，如NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP等，也产生了混合元和杂交元理论，形成高效数值求解器，线性静力问题求解基本成熟。第三阶段是80年代，主要完善及扩充通用有限元软件，产生了结构优化设计技术、前后置处理软件及计算机辅助设计系统，出现了断裂力学的奇异元技术、边界元技术、有限元与其他数值方法联合求解技术。第四阶段从90年代中期至今，是微机、网络和仿真时代，一方面，计算结构技术软件适应新的计算机环境，另一方面，计算结构技术与其他学科的综合技术发展迅速，迎来了结构仿真和虚拟验证时代的到来。国内的发展从70年代末开始起步，与国际发展对应，可分为两个发展阶段。第一阶段，80年代至90年代中期，是一个快速发展期，开发了大量结构分析软件和CAE软件。1979年以中国飞机强度研究所为主管单位并有多个厂所院校参加的团队成功开发了航空结构静力分析系统HAJIF-1，1981年开发出航空结构动力分析系统HAJIF-II，1983年开发出飞机结构多约束优化系统YIDOYU，这些软件填补了我国航空结构分析与优化设计领域的空白，成功地解决了当时航空工业急需要解决的问题，满足了需要，并分别获得了国家二等奖。1985年中国飞机强度研究所成立了计算力学与软件开发应用专业研究室。并成功开发了HAJIF-m，获得了国家一等奖。而后又相继开发出飞机结构振动环境预计系统VEP（1989年，国家二等奖），复合材料结构分析与优化系统COMPASS（1992年，部二等奖），大型通用有限元结构分析程序系统HAJIF（X）（1995年，部二等奖）等一系列结构分析与优化设计应用软件以及用于夹层、层合壳体、加筋板、和连接区的多个专用程序，这些软件，在功能规模、软件技术与解决问题能力等方面均居于国内领先地位，某些方面达到或接近当时国际先进水平，形成了国内具有自主版权的航空结构分析与优化设计软件系列产品，在航空、航天及民用工程项目中，发挥了重要作用。80年代初，航空部组织力量，以西门子7760计算机为平台，建立了7760CAD/CAE/CAM系统；90年代初，以IBM4341为平台，建立了飞机设计集成系统CIEM。这些系统为大型软件系统的集成探索了路子，取得了一定的成功经验，但由于硬件系统的更新和软件集成技术的局限性，未得到进一步的发展应用。经过这十几年，在航空结构分析与优化软件研制方面，缩短了与国外的差距，打破了国外在某些技术领域对我国的封锁。与国外同类软件相比，国产软件整体上虽有差距，但结合国情，每个软件却有其独到之处。如：HAJIF-II的固有动力特性计算方法可靠；YIDOYU的机翼模型数据生成能力优越、简单、实用；HAJIF-III的非线性求解策略先进，曾引起MSC的极大兴趣；VEP的动响应计算，特别是动载荷分析应用前景广；HAJIF（X）的分析功能强、应用面广、可与MSC/NASTRAN相貔美；COMPASS是适于复合材料翼面结构综合设计软件，具有一定的多学科优化能力。第二个阶段从90年代至今，引进大量国际商业软件，并进行二次开发，CAE软件应用技术得到加强，并开始了仿真技术的研究。国内各厂所均根据应用需求，购入商用CAE软件，如：MSC.Nastran,ansys,abqus,marc等。一定程度上满足了飞机设计的需求，也推动了CAE软件在航空业的应用。但这些软件购价昂贵，且有一定的使用年限。从发展的角度看，总不能把国外的软件一直购买下去。在这个阶段，国产软件结合计算机技术的发展，走自我完善的发展道路；结合国际商业软件，开发专用软件，为国产软件留住了一块阵地。如飞机着陆滑跑载荷分析系统（ALTLAS）、飞机颤振实时分析系统（AFTAS）、计算机辅助结构试验分析系统CATAS）、飞机结构耐久性/损伤容限分析系统（ADDS）等。2航空业自主知识产权的CAE软件发展现状2.1建模软件大多数大型结构分析软件都基于有限元方法。有限元方法作为求解工程问题的一种数值技术，其成败关键很大程度上取决于模型的本身质量。正确的模型可望计算出正确的结果;即使程序无误，错误的模型决不会算出正确的答案，这就是所谓的“Garbagein,garbageout”。有限元模型的建立是一个费时、且需要专门知识的过程，它与研究的对象息息相关。国际上著名的有限元分析程序都有与之相适应、功能齐全以及可靠的前后置处理系统。此外，一个有限元程序能否得到广泛应用，很大程度上也取决于其选用的前后置处理系统以及用其生成有限元模型的能力。可见，一个好的前后置系统，对于有限元系统的更好使用起着极其重要的作用。著名的商用建模系统有MSC/PATRAN、EDS/UG2、FEMAP等。这些有限元前后置处理系统，对于加快有限元建模速度、提高建模质量、减少人工处理工作量，以及加深人们对计算结果的理解发挥着巨大的作用。但从分析的角度出发，无论是国外软件、还是国内软件，它们在航空设计部门应用最大的困难还是航空薄壁结构的模型建立。大多有限元建模基于实体建模，难以适应航空薄壁结构（加筋、加肋）建模的需要。飞机翼面结构有限元快速建模软件（QuickFEM）是一个针对飞机翼面薄壁结构的特点，采用面向设计、符合设计人员习惯的飞机翼面结构的自动化建模技术而开发的软件。该软件采用当今世界最为流行的图形用户界面（GUI）技术，将CAD技术中的基本绘图手段融入其中，形成了具有领域特色的交互一自动相结合的新一代快速建模策略和方法。其工程实用性、建模高效率和图形可视化程度，已得到设计部门的认可和广泛应用。QuickFEM的基本功能有：根据机翼的结构特性，快速建立结构布局的平面图，并有很强的图形修改功能；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，包括弯扭机翼几何模型；定义特征结构，生成有限单元的物理和材料特性并进行查询；施加边界条件（单点、多点约束）与载荷（集中载、气动载等效移动、惯性载）并进行查询；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，并与CAD软件有接口。2.2结构分析软件：HAJIF系列软件，功能最全当推HAJIFXoHAJIFX是一个大型、通用有限元分析程序系统。该系统是在中国飞机强度研究所的主持下，联合航空工业部门的有限元技术专家，于二十世纪九十年代自行研制的新型计算机结构分析软件。目前，该软件已拥有一万多个子程序，五十多万行源语句；具有静力与动力、线性与非线性等多种结构分析功能，可适用于航空、航天、兵器、汽车、机械、船舶、核能、桥梁、建筑、水利与化工等各工业部门以及科研院所的结构设计与分析，是这些部门工程师们的强有力的工具。HAJIFX软件适用于三维体与结构的各种响应分析：线性与非线性静力分析，线性与非线性动力分析以及各种动力响应分析，热传导分析，气动弹性分析，层合复合材料分析。HAJIFX软件有丰富的单元库，拥有50多种单元类型，包括常规单元和等参单元，这两类单元可以同时应用于求解同一问题。具有丰富的材料库，拥有足够求解不同材料工程问题的材料库，在库中，采用四种算法来描述材料的应力、应变曲线：Romberg-Osgood三参数方程，分段描述的幕次表达，指数表达式，试验曲线描述。在HAJIFX材料库中具有如下材料模式：各向同性弹性材料模式，正交各向异性材料，各向异性材料，非线性弹性材料，弹一塑性材料（完全塑性、各向同性硬化、运动硬化、组合硬化）。对单元库、材料库、载荷库和方法库都留有接口，易于修改与扩充。HAJIFX软件的输入、输出数据格式采用作为事实工业标准的NASTRAN的数据格式，可以采用PATRANFEMAP等有限元前后置处理软件的NASTRAN接口，便于用户建立有限元模型、查看计算结果的图形显示。飞机结构耐久性/损伤容限设计数据库及智能分析系统，适用于飞机设计、生产、试验、使用的各环节，用于决策、组织管理、设计分析、试验评估的，满足国军标要求的先进的军用飞机的耐久性和损伤容限评估体系，该系统具备：以EIFS和DFR法为中心，适当地顾及其它耐久性分析方法、系统具有一定程度的智能化再设计功能、系统的分析数据可自动生成、系统的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型式的需要、数据库具有查询，打印和修改功能、数据库和分析系统方便地进行了连接，便于数据的调用。飞机着陆和滑跑载荷分析系统ALTLAS2.0版，该软件能满足起落架着陆、滑跑、刹车动载荷设计要求和综合性能优化设计要求，应用前景良好，已成功应用于多个型号。该软件能直接为MSC.ADAMS输出特性文件，加快虚拟样机建模。2.3优化设计软件：COMPASS（COMPositestructuralAnalysisandSynthesisSy是e0）年代初以中国飞机强度研究所为主承担单位研制的复合材料（含金属）结构分析与优化设计系统，是集气动力、结构、气动弹性、模型化和图形前后置处理于一体的大型多学科工程应用软件，共8.2万FORTRAN语句，22条固定流程，用于飞机结构初步设计与初步详细设计阶段。可进行带外挂翼面复合材料、金属）结构的响应特性分析（含静力、动力、静弹、颤振等），进行满足结构静强度应力/应变、位移、稳定约束的满应力设计，及实现静力、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）。该系统开放性好，易修改、易集成，可与多个外接软件联合使用，完成结构建模-设计-分析一体化过程。前后置处理功能强，用户界面友善，操作方便，使用可靠，可在多种计算机平台上运行。COMPASS自93年投入运行以来，功能日臻完善，相继推出多个微机版本，已成功用于航空、航天十几个工程项目中，获得显著社会经济效益。其快速有限元建模、分析设计综合功能、气动弹性约束（含颤振）优化、复合材料铺层设计、解析法求导等方面在国内居于领先地位，达九十年代中后期某些方面达到近期）国际先进水平。正因为此，COMPASS的发展与应用，引起了国外有关部门的极大兴趣与关注，先后与德国、E印度等国建立技术合作关系，并与美国MSC公司联合开发了PATRAN/COMPASS，将COMPASS与PATRAN相集成，已推出1.0专用版本。COMPASS是国产软件中较为成功的一个，应用多，且仍在不断维护发展中。2.4工程强度分析针对结构分析后的强度评估问题，90年代末，中国飞机强度研究所在PATRAN平台上，开发了结构工程强度分析Strength件，能够预计结构初次破坏部位、模式及载荷。系统有24种金属和复合材料破坏模式，可考虑杆梁构件受拉压剪时的强度和稳定性、板的强度、板的稳定性、受剪板的张力场计算。该软件用于有限元整体求解后计算各元件破坏强度，还用来进行破坏试验时破坏部位预估和破坏载荷预估，它可进行张力场分析、杆应力分析、失稳分析、剩余强度分析，各种连接及接头、铆钉、螺钉、梁及塑性修正等。由于是工程方法，所以计算快速。2.5辅助试验设计本系统主要用在我国航空全尺寸结构静力、疲劳试验中，通过计算机辅助设计，缩短试验周期，提高试验质量，通过计算和测量结果一致性评估，为设计、使用部门提供一个既有计算分析又有试验结果，给飞机强度给出计算和试验结合的全面评价，为航空结构改进、改型提出建议。系统主要功能包括：计算机辅助试验方案设计，试验安装仿真，结构响应及破坏预估分析，试验前仿真，试验实时显示，试验与分析相关性评估。2.6小结随着国内航空业的发展，自主研制飞机将越来越多，自主知识产权的CAE软件需求将越来越旺。在中国飞机强度研究所，目前，仍有一支冲满活力的科研队伍，正本着“面向设计，结合试验，突出专用”的发展思路不断发展壮大航空业自主知识产权CAE软件。“面向设计”，将优化设计软件品牌做大作强；“结合试验”，开发辅助结构试验软件以及试验仿真软件，作为新的突破口；“突出专用”，在国外软件的冲击面前，按照“有所为，有所不为”的指导思想，根据国内需求，开发国内航空业的专用软件，不求大而全，但求专而精。3航空业自主知识产权的CAE软件发展的经验教训和下一步发展设想人才队伍是关键。二十多年的发展历程表明，一个好的CAE软件离不开一批高水平的结构分析人员和软件开发人员；软件的维护发展，更离不开这批人才队伍。队伍散了，不仅软件的寿命结束，且很难再形成一个高起点的软件平台。新技术应用是生命。CAE软件开发若不采用新的技术，在开发完成之时可能就已被淘汰，被功能相同的软件挤出市场。因此，国产软件必须有几个自己的亮点、绝招，能够比当前的应用水