装备研制的智慧灵魂!揭秘大型结构分析软件的核心战略作用

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资讯发布 发表于 2020-5-2 15:06:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

中美商业摩擦引发了国人对核心技术的深度思考,对于核心工业软件的控制已成为美国遏制我国发展的告急战略手段之一。

2019年5月美国ANSYS公司对华为等公司开始禁售仿真软件,更让CAE软件成为人们关注的焦点。

结构分析软件作为最早诞生和工程应用最广泛的CAE软件,是当之无愧的“国之重器”。

本公众号将连续发表《国产结构分析软件发展战略研究》系列文章,将从结构分析软件的战略作用、国际发展、国内发展、面对寻衅和发展战略几个层面动手,深入分析国产结构分析软件的已往、现在和将来。

1. 战略作用

2.国际发展:发展历程

3.国际发展:发展现状

4.国内发展:总体情况

5.国内发展:军工篇1

6.国内发展:军工篇2

7.国内发展:军工篇3

8.国内发展:军工篇4

9.国内发展:院所篇

10.国内发展:高校篇

11.国内发展:发展现状

12.面对寻衅

13.发展战略

引言

工业软件是当之无愧整个现代工业体系的“大脑”,每一套现代工业产品和装备的研制的都离不开工业软件的运行,在智能制造和工业4.0的时代工业软件的告急性进一步凸显。

随着工业技术的发展,工业软件逐渐成为我国工业发展的最大瓶颈。在CAD、CAE、CAM、CAPP等这些告急的工业软件当中,CAE软件告急用于数字建模与仿真,其本质是IT技术与工业化长期积聚的工业知识的结晶,是工业软件中含金量最高而我国底子最为单薄的环节。

结构分析软件是最早诞生的CAE软件,也是工程中应用范围最广泛的CAE软件,通过数值计算等手段可有效办理结构平台的强度和完备性题目,直接决定了结构重量、安全性、寿命、舒服性等结构平台的告急属性,而结构平台是工业产品与装备实现功能性能的最告急保障,因此西欧等国家一直将结构分析软件作为具有核心战略作用的软件工具举行连续发展。

随着人类对力学理论、模型构建和数值算法等技术的不断突破,结构分析软件的内涵也发生了深刻的变革:

早期告急指用有限元法(FEM)对结构的刚度、强度举行分析。其起源最早可以追溯到1956年波音公司体例了内部有限元程序来计算飞机机翼强度,一般被认为是结构分析软件在工程中应用的开端。

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图1:结构分析软件是起源最早的CAE软件

现代的结构分析软件的应用范围已经扩展到对工业产品将来的工作状态(强度、寿命、热传导、可靠性)和运行行为(动力学、运动学、NVH)举行模仿仿真,可赶早发现操持缺陷,改进和优化操持方案。所用的手段也从单一的有限元法扩展到有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)、混淆有限元(MHFEM)、扩展有限元(XFEM)、工程法等多种方法。

结构分析软件的核心战略作用

结构分析软件是事关国家战略安全的关键核心工具,是提高我国装备制造业核心竞争本领,包管国家战略安全所必须把握的关键技术,其核心战略作用告急体现在以下三方面:

1、核心技术研究的告急工具

结构分析软件是举行核心技术研究的告急工具,告急体现在底子性、前沿性、关键性三个方面:

底子性

数值模仿方法已经与理论研究、物理实验并称“创新三架马车”,结构分析软件作为一种告急的数值模仿方法,它可以辅助科学家、工程师揭示物理实验手段尚不能揭示或很难揭示的科学规律。在没有结构分析软件之间长达一个世纪里,人们对结构应力状态构求解的方法只能通过剖析技术得到,而且只能计算载荷和几何形状比较简单的题目。现代结构分析软件提供的的线性、非线性分析、动力学分析等功能,是举行核心技术研究的必备底子工具。

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图2:核心技术研究的底子性

前沿性

结构分析软件在支持新质料操持(纳米质料、碳纤维、4D打印质料)、新结构操持(仿生结构、柔性结构、智能结构)、新技术(虚拟试验技术、虚拟实际技术),可对人类还没有制造出来的前沿质料和结构,准确模仿其结构相应,为创新操持提供依据。比如人们很早就通过数值手段猜测碳原子单层结构具有很高的刚度和强度(比钢材高100倍),直到2004年曼彻斯特大学的两位教授通过微机器剥离的方法制备出纯正的石墨烯结构,这种猜测才得到物理实验的验证。

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图4:核心技术研究的前沿性

关键性

装备研制中的关键技术的办理往往依赖准确的结构分析结果,如高超声速飞行器耐高温/防护结构操持、重型火箭的大跨度结构动力学操持、大型跨海大桥的耦合分析、高速列车的疲惫寿命分析等,都需要结构分析软件的支撑。

比方美国为实行阿波罗登月操持,组织开发了第一个工程实用的结构分析软件NASTRAN(NASA Sturucturla Analysis),用于计算不具有可试验性的飞行器结构,体系地办理了结构系列关键题目。美国为了研制高超声速飞行器,美国开发了一系列结构分析软件,包管了型号的乐成。

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图6:国外高超声速分析软件


2、工业装备研制的根本保障

结构分析软件是工业装备研制的根本保障,告急体现在结构分析是工业共性需求、贯穿装备研制全周期、致命性短板三个方面:

工业装备共性需求

目前我国工业产品和装备进入了全面自主研制的快速发展时期,航空、航天、船舶、武器、高铁等行业已经进入全面自主操持阶段,对结构平台的操持提出了多项共性的需求,比如要在有限的结构重量下实现全部性能指标,结构的NVH特性和乘员的舒服性等多个方面。

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图7:结构分析软件是工业共性需求

贯穿装备研制全周期

结构分析软件已成为装备研制不可或缺的操持工具,已融入到装备研制的预发展、概念操持、初步操持、具体操持、试验验证、制造装配和试飞服役等全生命周期中。以航空装备为例,结构分析软件已经成为飞机操持、制造、强度验证和服役中应用最广泛的工业软件之一。

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图8:结构分析软件应用于装备全生命周期

致命性短板

结构分析软件直接决定了结构平台的告急品格,如结构强度、结构寿命、结构舒服性等,对于提高操持服从、低落操持成本也有着告急作用。从国内来看,工业部门几乎全面依赖入口结构分析软件(入口占比90%以上),缺乏自主的高精度结构分析软件已经成为工业产品和装备研制的致命性短板。

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图9:工业部门普遍使用国外入口软件

3、智能制造实现的关键支撑

结构分析软件是智能制造实现的关键支撑,告急体现在结构分析软件对智能制造的数字化、网络化、智能化都起着支撑作用。

数字化

结构分析软件是将来工业产品数字化V&V验收流程中的底子手段,以航空装备为例,在概念操持阶段需要创建结构的低保真度数字模型(如梁式模型);在初步操持阶段需要创建中等保真度数字模型(如天然网格模型);在具体操持阶段需要创建高保真度数字模型(如细节三维模型)。

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图10:两栖飞机着水载荷分析模型

网络化

结构分析软件是将来实现5G+制造的关键工具,通过数据清洗、数据拟合、模型修正、可信度分析、云计算等技术支持,实现结构的智能制造中的全状态数据及时收集和结构的及时评估。

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图12:结构分析软件是实现5G+制造的关键工具

智能化

结构分析软件也是实现智能化转型的告急支撑,通过构建系列包含智能特性的数字化模型,创建物理空间与数字空间的及时数据映射和反馈猜测优化,实现参数智能匹配、及时智能判据和智能预警,支撑智能化转型。

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图13:结构分析软件对智能化的支撑作用

结束语

谁把握了核心技术,谁就赢得将来新技术革掷中的优势!习近平总书记在第十九次院士大会上强调:“实践反复告诉我们,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”

的研制需要同时涉及多项结构强度关键技术攻关和大型复杂软件体系开发,既是一项高难度的科学研究,也是一项大规模的工程实践,对工业产品研发和科学技术创新都具有告急的战略支撑作用,是事关国家战略安全的关键核心工具。

捉住汗青机遇,研制具有国际先进程度的结构分析软件无疑是我国工业征途上必须完成的告急任务,也是成为国防强国和工业强国必须迈过的一道坎!


来源:https://www.toutiao.com/a6821688121302712843/
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