升級轉型中的CAE技術

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

常言道,登高才能望遠,“欲窮千里目,更上一層樓”。CAE作為先進數字化設計、制造的基礎與核心支撐技術,是集成計算結構力學、空氣動力學、流體力學、材料力學、電磁學、機械制造與自動控制等專業學科在工程領域的應用。2005年美國總統國家技術顧問提出的報告把CAE工程技術歸納為計算科學,并認為它的發展是關系到國家安全與競爭力的核心支撐技術。

因此,我們如何定義和描繪這個新階段的CAE發展的新藍圖:目標、構架、路線圖及實施策略,正是我們這次“第三屆中國自主研發CAE軟件發展論壇”的主要內容,希望各位代表能夠不忘強國的初心,圍繞自主研發CAE的主題,交流成果,貢獻創新的解決方案與規劃,做到暢所欲言、各抒己見、取長補短,為我國CAE明天的輝煌做出新的貢獻。

各位代表,我是一名從事CAE的老兵,有近半個世紀的歷史了。下面,我想結合自己CAE實踐談點思考,希望能有拋磚引玉之作用。

1 關于先進性與前瞻性

CAE研發之初,如何論證與選擇好系統的研發平臺與運行平臺,包括核心支撐要件與商用基礎應用軟件最為重要。在我所經歷的中德共同研制CADEMAS系統工程的四年里,最值得記憶的事情是:兩國近40多位專家共同站在國際科技的前沿水平,采用科學方法組織評測,對世界范圍內著名航空企業使用的基礎軟件及最著名的一些商用軟件進行了長達三個月的調研、評測與優選,最后確定了CADEMAS通用的商業軟硬件組件及平臺,包括:主機、圖像、操作系統、編程語言、DBMS、CAD、CAM、GI/ST等等。中德專家民主確定系統配置及商用構件的采購清單,從而確定了系統原型構架。例如,CAE以NASTRAN為基礎,CAD以CATIA為基本系統,CAM以2D/3D的NCG-2及APT4進行二次開發(美國NCAD對中國禁運),ORACLE,C++及FOTRAN-77作為數據庫管理、操作系統、編程語言。事實證明,這些工作對后來中航工業CAD/CAE/CAM運行平臺的健康發展建設,及努力追趕國際先進水平,都具有一定的奠基與前瞻作用。因此,今天出發、攀登高峰的人們,絕對不是去要一批時髦、但很快就會變為電子垃圾的東西。我們就是要做好這個具有戰略基礎性質的開創工作。

2 關于困難性與曲折性

CAE技術的發展與自主創新不會一帆風順,必然經歷曲折、艱難、漫長的發展歷程。我直接參與過的航空結構分析系統HAJIF_1(1974-1980),及后來的同事們繼續開發的HAJIF-2、-3、-x,前后經歷近20年的時間。多數人只能走其中的一段:有的是前段,有的是中段;走全程的是極個別人。我的同行戰友開發的另一個知名重要軟件——飛機結構多約束優化設計系統YIDOYU及COMPAS,其發展也經歷了同樣漫長的時間。顯然,這里沒有“大躍進”與“轟轟烈烈”,只有“萬里長征”式的艱苦攻關與攀登。

同時,對CAE技術的認識與發展總是呈螺旋形上升的。因為開始的認識與實踐,往往不到位。或者對軟件技術上的困難(風險),對工程應用實踐中的問題,不管如何規劃,都會有大量新問題,或者需要改進,或者重新設計。這里有一個“從必然王國到自由王國”的問題。例如,在上述中德CADEMAS工程中,研發獨立于圖形設備的圖形核心支撐接口(CGI)所經歷過的困難與風險,可以幫助我們認識這一點。剛開始,由中德雙方經理一起規劃,共同確定:購買了兩臺2D的ADAGE-4250圖形儀作為常用,又購買3D的ADAGE-4370,PS-340各一臺,考慮未來發展因素。德方派ELACHAR博士(曾留學美國多年)、中方派我(主要完成過HAJIF-1研發),進行這種探索工作。ELACHAR博士留學美國,接觸過國際上圖形標準接口方面的資料。我當時對于圖形技術是外行,只是1980年3月在英國參加《第4屆國際CAD學術交流及展覽會》時看到過西方專家們的表演。

ELACHAR博士負責定義與編寫技術說明書。我負責在不同圖形設備上作試驗性開發,進行編程。首先,我們在2D的ADAGE-4250圖形設備上開發,定名為CGI-1,發現其功能無法全部實現;再換為3D的PS-340測試,發現依然存在問題;最終換為3D的ADAGE 4370開發,定名為CGI-2,開發才真正走上正軌;但是,接近結束時,國內又提出需要在IBM5080圖形設備上統一實現。CGI-2最終定型在IBM5080,前后經歷近三年的探索。回國后,CGI-2作為中航工業CIEM集成工程及IESP移植工程的圖形核心支撐接口,又經歷了大概4-5年的繼續完善時間。“歷史經驗值得注意”。今天研發行業的IT構架,提供行業工業化與信息化的“兩化”融合的運行平臺與功能要件,這絕對不會是一帆風順的事情。我們昨天不是神仙,走了彎路,那么今天再出發、攀登高峰,就一定會輕車熟路嗎?不會!因此,我們應該在時間、經濟、技術風險上,留有余地。

3 關于可持續發展特性

近50年CAE實踐,感覺最深的事情是:對于CAE 的自主開發,必須著重考慮可持續發展的可移植特性。這是因為計算機系統核心層的硬軟件技術更新換代快,而與之集成的工程應用軟件層,一般研發與成熟的周期長,而用戶往往又要求工程應用的相對穩定性、持久性與可靠性。這就像飛機的機體結構使用周期長,發動機壽命卻較短,因此需要定期檢修或更換發動機。這就不得不要求工程應用環境與系統核心之間具有接口層。美國的MSC/NASTRAN,ANSYS等商用工程應用軟件,經歷幾代的硬件及操作系統的升級換代,經過反復地工程應用考核,“行不改名、坐不改姓”,在用戶面前展現出先進、可靠、穩定的面貌。相反,我國開發的眾多工程應用軟件,片面追求新名字、新面貌,一版一個樣,以至成功不久就未老先衰,根本沒有考慮計算機核心硬軟件系統快速升級換代與我們研發的大量工程應用軟件層的可移植屬性。這里,有兩個中外對比度較大的例子:

一個是我國1994年通過國家鑒定、耗費巨大人力、財力、較長周期研制(400工程技術人員參加,近10時間)成功的CIEM系統,它在隨后五年微機取代主機過程中,“壯志未酬身先死”,快速消亡了。

另一個是,上世紀60-70年代,美國與以色列在CDC系列計算機上共同開發的XXXX系統,是一個號稱100萬條FORT語句的飛機綜合設計系統。上世紀80年代從國外到了我國。由于他們開始時注意到“IT構架可移植”的這一屬性,當上世紀80年代末CDC計算機系統開始淘汰,我們行業組織幾十人的技術力量,進行“XXXX移植工程”,經過幾個月工作,將其引進價值6000多萬美元的XXXX系統,僅花費500萬人民幣,就對系統核心進行了“換心”手術,成功地從CDC系統移植到IBM系統,并在幾個飛機設計所進行安裝與試用。

可見,“IT構架可移植”屬性不是空話,要深度研究它的技術含義,特別是它的規范與標準,才能走好這重要的第一步。

總之,我們必須真正站在體現國家與行業剛性需求的高度,制定一個較全面、長期、分階段的規劃,同時還要聚集一支強大、穩定、專業配套的人才隊伍,才能真正有所作為。

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