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CAE/模拟仿真 |
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CAE--从服务平台到软件产业建设的探索 |
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| http://cn.newmaker.com
3/4/2010 11:18:00 AM
佳工机电网
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一、引 言
二十世纪六十年代冯康给出了有限元法的数学证明，随着计算机技术、近代力学理论和工程研究需求的迅速发展和多学科融合，CAE已经成为一项事关国家竞争力和国家安全战略的软件产业。自主CAE软件产业成为事关国家竞争力和国家安全战略的软件产业，这已经成为一项共识。经过摸索从CAE技术公共服务平台到推进自主软件产业建设的实践，已经逐渐认识到以自主CAE软件产业(信息产业)推动先进制造业的高速发展为主线，从而带动生产性服务业的全面形成，逐渐形成三大产业结构的科学发展之路，有助于实现产业结构战略性调整。
二、以国家战略需求为目标，循序渐进推进自主CAE软件产业建设
作为数值仿真技术的核心——CAE软件产业的形成和建设具有强烈的“扩散效应”，自主发展CAE软件产业将给整个国民经济的稳定发展提供重要基础。从二十世纪六十年代自主奠定了CAE软件系统核心技术的数学基础以来，到至今依然依赖国外软件所形成的局面，这种转变和共识对国家竞争力和国家安全战略的影响是巨大而深刻的。
就目前而言，我国CAE技术领域所取得的自主创新科研成果与现有所占的市场份额是背离的，因为这类技术领域的软件商品几乎完全依赖于国外的进口。促进自主创新科研成果的产业化，将现有的应用程序成为具有市场化的商品，要求进行有规模性的整合，这是建设自主CAE软件产业的基本条件，但我们还不具备。
在国内，基本每一个工科院校在教学CAE技术的同时会自行开发些应用程序；大型企业和重大工程项目根据自身特点和应用需求开发本行业所需的CAE程序。数量众多，涉域宽广，小巧实用，其实在这些能力和需求的基础上本来可以做得很好，但当时散乱的局面严重阻碍了CAE软件产业的集聚和发展。
资源整合是一种市场行为，关系到各参与方的利益，因此完善的市场环境、以及观念上的差异都是以往“联合开发”过程中难以解决的“瓶颈”。任何事情都是在发展的，人们的认识和观念已经有了很大的提高，参与方之间的整合，实际上是一种资源重组和优势互补。改革开放30年来，在新的历史条件下，人们对于建立自主CAE软件产业的认识有了更深切的紧迫感和使命感，已经引起了高度重视和极大兴趣：
·2004年，严隽琪等提出了“上海与大连理工大学合作，建设有自主知识产权的CAE平台，应是一件十分有意义的事”设想，寻求对产业结构调整的探索，尝试以服务创新和整合创新的方式，谋求突破自主发展CAE软件产业的“瓶颈”；
·2005年，中国科学院学部咨询评议项目＂发展国产CAE系统.提高装备制造业的自主创新能力＂申报,力图通过对国内外CAE软件发展与应用水平进行调研,为建立国家级自主CAE软件产业提供咨询;
·2006年中国科学院技术科学部、信息技术科学部在上海召开 “CAE自主创新发展战略”论坛，围绕产业政策、技术贮备、行业需求和软件厂商现状等四方面作了全面回顾，并对建设自主CAE软件产业提出了期盼。
·2007年中国科学院院刊发表“CAE:事关国家竞争力和国家安全的战略技术”的文章,下半年由中国科学院向国务院呈送《关于发展事关国家竞争力和国家安全战略的CAE软件产业的建议》的报告，激起了建设自主CAE产业的信心。
·2008年以“发展CAE软件产业的战略对策”和“我国高性能计算的发展与对策”为主题的香山科学会议相继在北京举行，多种学科交叉融合、展望未来发展趋势、交流产业建设进展和对策;
在科学发展观的引领下，人们开始以服务、服从国家战略的视角去思考发展自主CAE软件产业的现状和发展。围绕CAE技术的成果转化、软件工程的开发应用和产业结构的优化组合，以社会科学与自然科学相互渗透、相互联系的新思想和新理念进行下一步如何落实的探索。
三、担当起民族振兴的责任，实现重大工程关键技术的自主科研价值
在国民经济急需的工业装备和国防工业众多领域，具有自主知识产权的先进技术在被“禁运”、“技术封锁”的严酷现实面前，以其炼就自主领先技术“金刚钻”的能力,揽下国民经济急需“瓷器活”的行动，在担当起民族振兴责任的同时也开拓了自身的生存空间。
公共服务平台结合国内具有特色的自主技术开展了与其相应的市场需求、技术推广应用工作也循序渐进，取得了理论研究成果和用户单位的互相认可（以其中一过程为例）：
·“基于精细积分（最优）控制系统程序库”报告在“第二届上海国际航空航天技术与设备展览会”航空航天电子论坛得到了行业广泛关注，反响热烈；
·“椭圆轨道卫星编队重构的均衡耗能最优控制方法”在 “航空航天中力学与控制的挑战和机遇”研讨会上现场引起了与会代表的兴趣和重视，有单位表达了合作意向；
·“高精度控制系统设计与仿真研究技术”学术报告会在合作单位举行，来自大连理工大学的技术人员就基于精细积分的最优控制系统程序库及其应用作了详细讲解。具有自主知识产权的应用软件技术学术交流和科技项目的验收会由中国工程院孟执中院士主持。实际工程效果得到“在更短的控制时间内，以更少的燃料消耗，达到更高的终端控制精度。”的认可；
·以“发展CAE软件产业的战略对策”为主题的339次香山科学会议在北京举行。航天工程的专家学者对该课题研究成果表示了浓厚兴趣与关注；
·上海市科协领导在宇航学会的工作研讨会上就课题“编队飞行控制技术”专题听取汇报后表示：要创造条件，促进进入工程阶段，最终转化为社会经济效益。
在我国现有的众多科技成果中，不乏有可圈可点的值得细心呵护和培育的具有原创性知识成果。以基于精细积分的（最优）控制系统为例。该算法体系以最优控制和结构力学的模拟关系为基础，通过研究最优控制所导出的哈密顿系统边值问题，提出了对偶变量区段混合能的概念，进而将结构力学中基于变分原理的系统离散和计算方法用于最优控制问题中矩阵Riccati微分方程和代数等的求解。基于“程序库”提供的设计功能，结合具体的课题，可进行多方面应用领域控制软件的研发：
·飞机的自动驾驶控制问题。飞机在起飞/降落阶段的控制、在紧急情况下的机动飞行控制，巡航高度、速度的调整等，实质上都是在很短时间（或有限时间段）内将飞机的飞行状态（例如飞行速度，俯仰角，偏航角）从一个状态调整到另一个状态，这些控制性能要求，依靠传统工具箱的定常控制器设计难以实现，必须从时变控制器的设计出发进行设计，而且还要寻求节省燃料、控制输入峰值小的控制方案。
·导弹的拦截与精确打击问题。使用时变控制器可以只需定常控制器约一半的时间达到系统期望状态，这对于精确制导有着重要意义。
·机器臂的移动控制。机器臂的移动控制有着多方面的应用，对于要求移动速度快，终端定位精确的控制要求，需要精确的算法保证。
·分布式空间飞行器系统的控制问题，其基本特点是通过控制多个小卫星的有序排列和协同工作来完成单个大卫星的工作，单个大卫星的质量和体积是有上限的，但是由多个小卫星天线构成的虚拟大型天线理论上讲是没有上限的，且其分辨率将远远超过现有的和即将发射的单个巨型太空望远镜，并具有成本低，可靠性高等特点。在这类分布式系统控制问题中，分散控制，高精度的最优控制和鲁棒控制方案是其出发点，设计最小能量，最短时间等控制系统。
借助CAE技术公共服务平台建设，我国有许多具有领先水平的科研成果在工程实践中得到应用，其自身学术价值和工程效果在推广中得到了肯定(见示意图)。由于因工程需要所编制的程序只是体现科研学术成果，以工具的形式给工程建设提供服务，尚不具备软件的完备性和商品化，后续发展仍有更多的工作要做。
·参数化结构形状优化——煤及半煤岩巷道掘进：在考虑等价静力工况作用下结构的优化设计过程中，本次的两个优化模型给定的约束条件为紧约束，即保证结构初始设计的刚度和强度的前提下，约束条件取值与初始有限元分析结果相近，因此结构优化效果不明显，结构重量下降仅为初始重量的2.23%和3.25%。如放松约束，则优化效果将更显著。
·随机振动虚拟激励——（东海大桥抗震性能的功率谱分析；在大型造船门式起重机金属结构设计中的应用）：采用虚拟激励法进行了东海大桥随机地震响应功率谱分析，考虑了一致地面运动、行波效应和部分相干效应，结果表明进行抗震分析不但使桥梁设计更为安全可靠，而且简便易行。随机振动虚拟激励法为桥梁工程的抗震分析提供了有力的数值分析工具，特别是在大中跨度桥梁抗震工程中有广泛的应用前景；随着CAE技术的日渐成熟，中船第九设计研究院将该技术运用于大型造船门式起重机金属结构的设计，并取得了丰硕的成果，在此基础上正准备对起重机金属结构的进一步优化、驾驶室的人性化设计等课题进行探索。
·参数二次规划法——(采煤机牵引行走机构的接触应力分析；轮对与道岔接触问题的有限元分析)：以采煤机牵引行走机构为分析对象，应用参变量变分原理及基于此原理的有限元参数二次规划法来求解弹性接触问题，分析了行走齿轮和销轨的有限元建模、网格划分以及受力状态的问题，对外载荷条件与计算接触应力变化进行规律性分析；建立轮对与辙叉、护轨、基本轨的多体接触有限元计算模型,分析不同工况下轮对和道岔接触斑形状、内部应力以及接触力的分布和变化规律。结果表明,由于车轮踏面与辙叉的型面不配合,轮对与辙叉形成两点接触,且接触斑狭长,靠近轮缘处踏面和辙叉接触斑的应力及接触力非常大,其数值远远超过材料的屈服极限,进入塑性变形阶段,这将导致车轮踏面与辙叉的磨耗严重。这一研究方法和计算结果将为道岔的合理设计以及轮对和道岔型面更好配合提供了理论依据。
·多体系统分析应用——厚煤层快速掘进关键技术中的探讨研究：多体系统是指有大范围相对运动的多个物体构成的系统,它是航空航天器、机器人、车辆、兵器与机构等复杂机械系统的力学模型。该项技术是多刚体动力学、连续介质力学、结构动力学、计算力学、现代控制理论等构成的一门交叉性、边缘性学科。柔性多体系统动力学已成为理论和应用力学的一个极其活跃的领域。结合大功率采煤机的摇臂和行走齿轮的强度分析等问题进行了直接的交流和探讨研究。
·质子交换膜自动浸胶系统——楔形双极板圆桶形燃料电池改进设想的探讨研究：燃料电池的基本工作原理是直接将氢和氧转化为电力，无污染无噪声，是全世界最受关注和青睐的能源之一。从宏观尺度上研究燃料电池结构材料、结构设计、制造与装配中的工艺力学问题，从微观尺度上研究扩散层多孔材料在多物理场耦合作用下两相流动问题，从而对燃料电池扩散层材料和整体结构进行优化设计。
聚焦国家发展需求，自主科研成果通过解决实际工程中提出的关键技术，取得了有重要理论价值和工程实用意义的研究成果。这其中也会有些因素会影响平台建设进程，然而对于国民经济建设需求和高科技成果之间应用研究推广的主线不会变。近期将关注“无应力制造”和“微观缺陷的消除”技术，以期能让更多最新技术为我国国家战略急需的部件制造提供关键技术。项目可以告一段落，但成果如何可持续发展成为满足市场需求的商品。在这里，许多有共性的问题就显现出来了。当自主科研成果已经表现出明显的社会与经济效益时，也就是处于在最宝贵的黄金时期，如何抓住机会。当然希望抓紧时间去整合资源，全力投入到为用户提供成熟的产品和服务中，保持其所具有的领先竞争能力。
四、结束语
我们要以国际视野和战略思维来选择和发展新兴战略性产业，着眼于提高国家科技实力和综合国力，着眼于引发技术和产业变革。为此，必须做好战略决策储备、科技创新储备、领军人才储备、产业化储备。这四项储备决定未来。
面对当前所发生的金融危机冲击，暴露和发现一些已经积累而以往没能及时发现的问题，应该是一件值得认真对待的好事。党中央适时提出提高企业自主创新能力、提高企业综合竞争力和产业结构调整、转变增长方式，这是提升经济整体素质和竞争力的历史机遇，也是承接新一轮产业转移和发展的契机，同时也是探索自主CAE软件产业建设的创新体制机制、营造更好的法制保障环境的重要变革契机。
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