升级转型中的CAE技术

2016-11-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

常言道,登高才能望远,“欲穷千里目,更上一层楼”。CAE作为先进数字化设计、制造的基础与核心支撑技术,是集成计算结构力学、空气动力学、流体力学、材料力学、电磁学、机械制造与自动控制等专业学科在工程领域的应用。2005年美国总统国家技术顾问提出的报告把CAE工程技术归纳为计算科学,并认为它的发展是关系到国家安全与竞争力的核心支撑技术。

因此,我们如何定义和描绘这个新阶段的CAE发展的新蓝图:目标、构架、路线图及实施策略,正是我们这次“第三届中国自主研发CAE软件发展论坛”的主要内容,希望各位代表能够不忘强国的初心,围绕自主研发CAE的主题,交流成果,贡献创新的解决方案与规划,做到畅所欲言、各抒己见、取长补短,为我国CAE明天的辉煌做出新的贡献。

各位代表,我是一名从事CAE的老兵,有近半个世纪的历史了。下面,我想结合自己CAE实践谈点思考,希望能有抛砖引玉之作用。

1 关于先进性与前瞻性

CAE研发之初,如何论证与选择好系统的研发平台与运行平台,包括核心支撑要件与商用基础应用软件最为重要。在我所经历的中德共同研制CADEMAS系统工程的四年里,最值得记忆的事情是:两国近40多位专家共同站在国际科技的前沿水平,采用科学方法组织评测,对世界范围内著名航空企业使用的基础软件及最著名的一些商用软件进行了长达三个月的调研、评测与优选,最后确定了CADEMAS通用的商业软硬件组件及平台,包括:主机、图像、操作系统、编程语言、DBMS、CAD、CAM、GI/ST等等。中德专家民主确定系统配置及商用构件的采购清单,从而确定了系统原型构架。例如,CAE以NASTRAN为基础,CAD以CATIA为基本系统,CAM以2D/3D的NCG-2及APT4进行二次开发(美国NCAD对中国禁运),ORACLE,C++及FOTRAN-77作为数据库管理、操作系统、编程语言。事实证明,这些工作对后来中航工业CAD/CAE/CAM运行平台的健康发展建设,及努力追赶国际先进水平,都具有一定的奠基与前瞻作用。因此,今天出发、攀登高峰的人们,绝对不是去要一批时髦、但很快就会变为电子垃圾的东西。我们就是要做好这个具有战略基础性质的开创工作。

2 关于困难性与曲折性

CAE技术的发展与自主创新不会一帆风顺,必然经历曲折、艰难、漫长的发展历程。我直接参与过的航空结构分析系统HAJIF_1(1974-1980),及后来的同事们继续开发的HAJIF-2、-3、-x,前后经历近20年的时间。多数人只能走其中的一段:有的是前段,有的是中段;走全程的是极个别人。我的同行战友开发的另一个知名重要软件——飞机结构多约束优化设计系统YIDOYU及COMPAS,其发展也经历了同样漫长的时间。显然,这里没有“大跃进”与“轰轰烈烈”,只有“万里长征”式的艰苦攻关与攀登。

同时,对CAE技术的认识与发展总是呈螺旋形上升的。因为开始的认识与实践,往往不到位。或者对软件技术上的困难(风险),对工程应用实践中的问题,不管如何规划,都会有大量新问题,或者需要改进,或者重新设计。这里有一个“从必然王国到自由王国”的问题。例如,在上述中德CADEMAS工程中,研发独立于图形设备的图形核心支撑接口(CGI)所经历过的困难与风险,可以帮助我们认识这一点。刚开始,由中德双方经理一起规划,共同确定:购买了两台2D的ADAGE-4250图形仪作为常用,又购买3D的ADAGE-4370,PS-340各一台,考虑未来发展因素。德方派ELACHAR博士(曾留学美国多年)、中方派我(主要完成过HAJIF-1研发),进行这种探索工作。ELACHAR博士留学美国,接触过国际上图形标准接口方面的资料。我当时对于图形技术是外行,只是1980年3月在英国参加《第4届国际CAD学术交流及展览会》时看到过西方专家们的表演。

ELACHAR博士负责定义与编写技术说明书。我负责在不同图形设备上作试验性开发,进行编程。首先,我们在2D的ADAGE-4250图形设备上开发,定名为CGI-1,发现其功能无法全部实现;再换为3D的PS-340测试,发现依然存在问题;最终换为3D的ADAGE 4370开发,定名为CGI-2,开发才真正走上正轨;但是,接近结束时,国内又提出需要在IBM5080图形设备上统一实现。CGI-2最终定型在IBM5080,前后经历近三年的探索。回国后,CGI-2作为中航工业CIEM集成工程及IESP移植工程的图形核心支撑接口,又经历了大概4-5年的继续完善时间。“历史经验值得注意”。今天研发行业的IT构架,提供行业工业化与信息化的“两化”融合的运行平台与功能要件,这绝对不会是一帆风顺的事情。我们昨天不是神仙,走了弯路,那么今天再出发、攀登高峰,就一定会轻车熟路吗?不会!因此,我们应该在时间、经济、技术风险上,留有余地。

3 关于可持续发展特性

近50年CAE实践,感觉最深的事情是:对于CAE 的自主开发,必须着重考虑可持续发展的可移植特性。这是因为计算机系统核心层的硬软件技术更新换代快,而与之集成的工程应用软件层,一般研发与成熟的周期长,而用户往往又要求工程应用的相对稳定性、持久性与可靠性。这就像飞机的机体结构使用周期长,发动机寿命却较短,因此需要定期检修或更换发动机。这就不得不要求工程应用环境与系统核心之间具有接口层。美国的MSC/NASTRAN,ANSYS等商用工程应用软件,经历几代的硬件及操作系统的升级换代,经过反复地工程应用考核,“行不改名、坐不改姓”,在用户面前展现出先进、可靠、稳定的面貌。相反,我国开发的众多工程应用软件,片面追求新名字、新面貌,一版一个样,以至成功不久就未老先衰,根本没有考虑计算机核心硬软件系统快速升级换代与我们研发的大量工程应用软件层的可移植属性。这里,有两个中外对比度较大的例子:

一个是我国1994年通过国家鉴定、耗费巨大人力、财力、较长周期研制(400工程技术人员参加,近10时间)成功的CIEM系统,它在随后五年微机取代主机过程中,“壮志未酬身先死”,快速消亡了。

另一个是,上世纪60-70年代,美国与以色列在CDC系列计算机上共同开发的XXXX系统,是一个号称100万条FORT语句的飞机综合设计系统。上世纪80年代从国外到了我国。由于他们开始时注意到“IT构架可移植”的这一属性,当上世纪80年代末CDC计算机系统开始淘汰,我们行业组织几十人的技术力量,进行“XXXX移植工程”,经过几个月工作,将其引进价值6000多万美元的XXXX系统,仅花费500万人民币,就对系统核心进行了“换心”手术,成功地从CDC系统移植到IBM系统,并在几个飞机设计所进行安装与试用。

可见,“IT构架可移植”属性不是空话,要深度研究它的技术含义,特别是它的规范与标准,才能走好这重要的第一步。

总之,我们必须真正站在体现国家与行业刚性需求的高度,制定一个较全面、长期、分阶段的规划,同时还要聚集一支强大、稳定、专业配套的人才队伍,才能真正有所作为。

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