宋軍平 ， 陳亞軍

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

1 有限元仿真軟件簡介

有限元方法本質(zhì)上就是用有限的未知量對無限未知量的真實系統(tǒng)進行無限逼近，具體方法就是利用近似的理想數(shù)學(xué)模型對實際物理系統(tǒng)進行模擬，模擬的基礎(chǔ)是有限個簡單存在又相互作用的單元[1]。1956 年，M. J. Turner（波音公司工程師）等四人共同在航空科技期刊上發(fā)表了一篇采用有限元技術(shù)計算飛機機翼強度的論文，把這種解法稱為剛性法（Stiffness），一般認(rèn)為這是工程學(xué)界上有限元法的開端[2]。目前，建模與仿真技術(shù)同高性能計算一起，正成為繼理論研究和實驗研究之后，第三種認(rèn)識改造客觀世界的重要手段[3]。通常，產(chǎn)品價值量低時，僅需實體試驗，無需仿真模擬。對于復(fù)雜、高精和新型產(chǎn)品，可以通過軟件仿真發(fā)現(xiàn)問題并及時改進，從而提高研發(fā)效率。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

新型及復(fù)雜、精密、高成本產(chǎn)品在設(shè)計時，往往借助于有限元仿真軟件對其結(jié)構(gòu)、材料和運行工況等進行模擬仿真分析，以設(shè)計出結(jié)構(gòu)優(yōu)化、選材得當(dāng)、運行穩(wěn)定的產(chǎn)品。這種設(shè)計方法避開了傳統(tǒng)生產(chǎn)中通過大量反復(fù)的低效實驗、片面且狹窄的經(jīng)驗傳承、單一的理論支撐及因循守舊沒有創(chuàng)新和競爭力的產(chǎn)品設(shè)計過程。當(dāng)前，有限元仿真軟件在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，小到零部件的受力分析，大到水利工程、航空航天設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析，幾乎都會運用有限元軟件進行建模仿真分析。例如，2008 年北京奧運會時鳥巢的建造就借助于有限元仿真軟件的分析，才設(shè)計出了鋼材保持穩(wěn)定且排列美觀的“鳥巢”。再如，2010 年6 月4 日，“獵鷹”號可回收式運載火箭，其機械分離式助推器的研發(fā)沒做任何實物驗證，完全依靠有限元仿真分析。

課題組詳細(xì)分析國內(nèi)外仿真軟件應(yīng)用，綜合其特點如下。

2.1 國外仿真軟件應(yīng)用現(xiàn)狀

大型通用有限元商業(yè)軟件ANSYS 是商業(yè)化比較早的一款仿真軟件，于1970 年問世，可以解決機械、電磁、熱力學(xué)等多學(xué)科的問題。此外，還有專注結(jié)構(gòu)分析的ABAQUS，用于材料科學(xué)、水利工程、交通運輸工程領(lǐng)域的MSC，用于結(jié)構(gòu)、流體、熱分析的ADINA 等軟件。同時，還有用于航空航天領(lǐng)域的有限元分析軟件NASTRAN，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計類的CATIA、Pro/E、UG 等。各仿真軟件在不同領(lǐng)域的排名如表1所示。

表1 國外仿真軟件在不同領(lǐng)域的排名

1978 年，美國Moldflow 公司發(fā)行了世界上第一套流動分析軟件，幾十年來以不斷的技術(shù)改革和創(chuàng)新一直主導(dǎo)著CAE 軟件市場。知網(wǎng)上，最早的Moldflow 分析論文發(fā)表于1993 年[4]，目前約有2 607篇。軸承行業(yè)有限元分析軟件ANSYS 相關(guān)的論文始見于2002年[5]，目前約有1 929篇。

2.2 國內(nèi)仿真軟件應(yīng)用現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代中期，大連理工大學(xué)研制出了JIFEX 有限元軟件，原航空工業(yè)部研制了HAJIF 系列程序。此后，我國有限元軟件陸續(xù)開發(fā)，推廣了一些自主程序的設(shè)計軟件包。隨著國外先進技術(shù)和新型產(chǎn)品的涌入，我國仿真分析技術(shù)與國外的差距愈加明顯。盡管有限元仿真軟件的發(fā)展需要時間，但機遇不等人。此類軟件要發(fā)展就只能借助國外相關(guān)軟件的力量，這也變相促成了當(dāng)下國外軟件壟斷國內(nèi)市場的格局，成為“卡脖子”軟件。以作者所在地區(qū)為例，直到2012 年，某注塑企業(yè)才開始嘗試接觸Moldflow 軟件；2014 年，某機械企業(yè)才開始對研發(fā)部門人員培訓(xùn)ANSYS 軟件。這兩家企業(yè)都用國外的“卡脖子”軟件且接觸時間較晚。

2.3 有限元仿真軟件應(yīng)用特點

1）對操作者能力要求較高。企業(yè)雖然渴求進步，認(rèn)識到有限元仿真軟件在產(chǎn)品設(shè)計中的優(yōu)點，同時也安裝了有限元仿真軟件，但由于接觸時間短，更多應(yīng)用只停留在自我摸索、委托他人培訓(xùn)或嘗試性的模仿狀態(tài)。實際應(yīng)用中，僅是供人參觀、拿來炫耀或處于淺層次的建模分析，掌握過程緩慢、應(yīng)用價值降低。

2）促進了產(chǎn)品的維護。實體產(chǎn)品運行工況或出現(xiàn)故障時難以被發(fā)現(xiàn)、察覺，不便于開展預(yù)防性維護。對產(chǎn)品進行有限元仿真時，可實時觀察設(shè)備工況的全過程，便于通過模擬分析實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、載荷及運行工況的實時監(jiān)控、調(diào)整和優(yōu)化?？梢暬M仿真解決了設(shè)備工作時肉眼無法直觀查看的部分工作過程，便于人們較為直觀、真切地感知設(shè)備運行工況并對可能出現(xiàn)的故障進行預(yù)維。

3）降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。模擬仿真取代實體工況，依據(jù)仿真結(jié)果對產(chǎn)品進行尺寸、性能、壽命、工作環(huán)境及材料等的改進，以滿足產(chǎn)品使用要求；此改進避開了常規(guī)生產(chǎn)中通過實體生產(chǎn)的試驗驗證，故而降低了原材料的損耗，降低了生產(chǎn)成本。

4）縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。有限元仿真分析過程周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于實體“設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、分析、改進并重新設(shè)計”全過程，在極大地縮短產(chǎn)品研發(fā)過程的同時可以迅速推出全新一代的產(chǎn)品而搶占市場先機。

5）仿真分析結(jié)果可靠、可傳承。有限元仿真非經(jīng)驗摸索或傳承，是一種虛擬仿真分析，有極精確的分析精度，為新產(chǎn)品的設(shè)計提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)[6]。仿真結(jié)果與真實值接近程度高，進而證明了仿真結(jié)果具有一定參考價值[7]。另外，仿真結(jié)果可在類似生產(chǎn)過程中傳承和借鑒，而無需再次仿真分析。

6）可分析壽命并檢測故障。通過對設(shè)備進行仿真分析可預(yù)估其使用壽命[8]，操作者便于對設(shè)備開展預(yù)防性維護，在延長設(shè)備使用壽命的同時提高設(shè)備的安全性，進而實現(xiàn)了“防患于未然”的工作模式。當(dāng)然，還可通過有限元分析進行設(shè)備故障檢測，以精確判斷故障出現(xiàn)的位置進而指導(dǎo)維護者開展精確的高效維護，縮短設(shè)備維護時間，提高生產(chǎn)效率。

7）降低工作人員勞動強度。有限元仿真應(yīng)用集中在三個方面：產(chǎn)品仿真、工藝仿真和實驗仿真，分別對應(yīng)設(shè)計、制造和試驗驗證。無論哪個環(huán)節(jié)的仿真，都在趨向于智能制造，極大地降低了工作人員的工作強度[9]。

8）有助于產(chǎn)品的精密設(shè)計和革新?lián)Q代。2018 年，世界機床龍頭企業(yè)前10 強中已找不到國產(chǎn)機床，究其原因在于先進國外機床設(shè)計中依賴有限元仿真分析，改進了機床的整體布局、材料及工況，提高了機床運行的穩(wěn)定性和精密程度。有限元技術(shù)的應(yīng)用，致使我國機械制造中具有核心競爭力的高精端機床排名下滑、銷量大跌。在產(chǎn)品創(chuàng)新領(lǐng)域，普通產(chǎn)品設(shè)計歷經(jīng)多年后依然一成不變，創(chuàng)新元素不足；采用仿真分析軟件后，產(chǎn)品外形、零部件布局、選材及工況等都可通過仿真模擬后優(yōu)化而獲得較強使用性能，以最合理的生產(chǎn)方案制造產(chǎn)品。

3 應(yīng)用發(fā)展遲緩原因分析

中國智能制造缺“芯”少“魂”，魂是指工業(yè)軟件，其焦點是模型仿真[10]。仿真軟件在我國起步較晚，主要應(yīng)用于高校和科研人員，企業(yè)中對其使用現(xiàn)象表現(xiàn)為：大企業(yè)“假仿真”，中小企業(yè)“無仿真”，全中國“鄰家仿真”。究其原因，本文總結(jié)如下。

1）軟件來源。許多主流有限元仿真軟件源自國外，國內(nèi)對其原理、理論依據(jù)及具體操作等方面均需摸索、討論或參加專業(yè)的培訓(xùn)，以致其推廣速度緩慢。

2）操作語言障礙。許多仿真軟件語言沒有漢化，加之企業(yè)人員學(xué)歷偏低，外語掌握水平欠佳，故操作該軟件存在困難。

3）購置成本高。2000年左右，一套正版ANSYS在國內(nèi)售價近百萬元，當(dāng)時全國房子均價為2 000元/m2，也就是一套ANSYS 可以在一線城市購買兩套100 m2的房子。這個高昂的購置成本，也使許多企業(yè)望而卻步。

4）前瞻意識薄弱。企業(yè)生產(chǎn)中，總是急于追求產(chǎn)量和按時完成訂單，在產(chǎn)品研發(fā)和軟件應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)投入較少且無暇駐足?？傉J(rèn)為“實干興邦”，對軟件重視度不高，通常依賴生產(chǎn)試驗和經(jīng)驗傳承指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。由于仿真軟件從接觸到應(yīng)用過程耗時耗力且仿真結(jié)果與實際應(yīng)用有出入，故對其持抵制態(tài)度，放大軟件使用中的缺陷，而不能接受新技術(shù)，故而企業(yè)研發(fā)方式變革遲緩、新產(chǎn)品生產(chǎn)滯后。

5）技術(shù)障礙。①在軟件技術(shù)方面：首先，CAE 仿真過程中需要使用人員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定很多參數(shù)，經(jīng)驗具有很強的主觀性。不同的使用者在解決同一仿真問題時設(shè)定的參數(shù)肯定也是不同的，仿真結(jié)果自然也就不盡相同。其次，軟件仿真分析時，對模型常需簡化處理而不能100%仿真。而簡化的部分，可能也是最關(guān)鍵的研究要素。故模型簡化后，可能找不出實用或核心的相關(guān)要素，致使仿真分析效果下降。②在硬件技術(shù)方面：有時即便通過仿真找出問題，實際生產(chǎn)時也受設(shè)備陳舊、材料不達標(biāo)、工藝遲滯、技術(shù)落后或無法檢測等因素限制而無法完成制造。例如，某注塑企業(yè)通過有限元仿真軟件優(yōu)化設(shè)計后的注塑模具，可能因搬運、儲存、光照等外因無法滿足，而使生產(chǎn)的模具無法達到設(shè)計要求。

6）操作者與實踐者不能有效融合。有限元仿真軟件的操作應(yīng)用者多為高校、科研院所人員。他們從事的研究更多偏向于理論，在建模及參數(shù)設(shè)置時傾向于理想化，故研究結(jié)果實用價值大打折扣；實踐者盡管有較豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)傳承，但不從事軟件操作，故未能將實踐生產(chǎn)積累反映到軟件分析中。由于兩者融合度低，導(dǎo)致分析結(jié)果不被人們認(rèn)可，軟件的應(yīng)用推廣遲緩。

7）軟件更新速度快。為提高此類軟件的操作性和穩(wěn)定性，幾乎每年都會有同類新版本軟件推出，這也使很多企業(yè)總是疲于軟件的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，而真正應(yīng)用的時機與精力較少，故其應(yīng)用推廣緩慢。

8）軟件共享程度低。各企業(yè)按需購置軟件后，會視其為企業(yè)“核心”軟件，僅在本企業(yè)使用，研究成果也不分享甚至還會封鎖，這種軟件使用理念既提高了軟件使用成本也降低了軟件的推廣速度。

4 解困之道

在國內(nèi)，CAE/EDA 設(shè)計仿真軟件的研發(fā)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件，但是對于新產(chǎn)品研發(fā)，仿真軟件是絕對必不可少的。脫離仿真，不僅極大地影響了研發(fā)效率，而且還可能因為實驗無法通過而導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)失敗，仿真是驗證產(chǎn)品早期設(shè)計唯一可行的方法，利用仿真，可以快速獲得加工全方位、全過程的準(zhǔn)確模擬，從而進一步優(yōu)化加工工藝流程[11]。所以在企業(yè)生產(chǎn)中，必須深入推進有限元仿真軟件的應(yīng)用，具體措施如下。

1）有限元仿真軟件進校園。從高中或大學(xué)階段就開設(shè)基礎(chǔ)軟件和專業(yè)軟件類的學(xué)習(xí)，盡早開展軟件類人才培養(yǎng)。實現(xiàn)規(guī)模化人才培養(yǎng)，將有限元仿真軟件作為工科類必備軟件。

2）軟件共享。在軟件方面有類似研究模塊的企業(yè)，可以共享軟件，以降低軟件配置成本；同時，建立共享型研發(fā)中心，由專業(yè)的軟件操作者開展研發(fā)并做好后續(xù)的跟進工作，以提高產(chǎn)品研發(fā)效率和軟件的深入應(yīng)用程度。

3）建立產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)則。工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中，為普及仿真軟件的應(yīng)用，將產(chǎn)品設(shè)計仿真后是否合格作為考核的因素。即產(chǎn)品生產(chǎn)前，必須獲得合格的仿真理論，方可生產(chǎn)。

4）加快國產(chǎn)軟件的研發(fā)。根據(jù)《中華人民共和國促進科技成果轉(zhuǎn)化法》，借助校企合作、項目化、模塊化、產(chǎn)業(yè)化軟件的開發(fā)，做好相關(guān)配套措施，鼓勵高校和科研院所盡快實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，推進有限元仿真軟件的國產(chǎn)化，以降低軟件配置成本，加快軟件應(yīng)用速度。國產(chǎn)軟件研發(fā)時，主要開展的工作如表2所示。

表2 國產(chǎn)有限元仿真軟件開發(fā)的主要工作

誠然，軟件的應(yīng)用和開發(fā)很迫切，但也需要時間，不可一蹴而就。所以，相關(guān)人員必須高度重視，迎頭趕上，切忌盲目趕超。

5 應(yīng)用展望

隨著有限元仿真軟件在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，工業(yè)設(shè)計的模式將會由過去的“提出需求—設(shè)計—制造—應(yīng)用—發(fā)現(xiàn)不足—再重新設(shè)計—制造—應(yīng)用—直至滿足需求”演化為制造后直接應(yīng)用，基本不需再次設(shè)計。這種技術(shù)帶來的改變表現(xiàn)為：

1）無需實體試驗，通過建模仿真即可完成新產(chǎn)品設(shè)計。隨著仿真精度的提高，產(chǎn)品通常只需完成建模仿真便可投入生產(chǎn)，無需進行實體件的試驗。

2）有限元仿真軟件的應(yīng)用模式由單機走向共享或租賃。隨著仿真軟件的應(yīng)用普及，原先較為“神秘”“核心”的軟件，將會全面普及到每臺電腦或手機，而使其配置成本降低、應(yīng)用技術(shù)水平提高。企業(yè)不需單獨購置，可以共享也可以租賃。

3）數(shù)字孿生技術(shù)出現(xiàn)。數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。數(shù)字孿生實際上是一種超越現(xiàn)實的概念，可以將其看作是單個或多個互相關(guān)聯(lián)的裝備系統(tǒng)數(shù)字映射[12]。此技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計、制造到后期應(yīng)用與維護的全過程的優(yōu)化，對產(chǎn)品的外觀、性能、壽命等實現(xiàn)了優(yōu)化。

6 小結(jié)

隨著企業(yè)對有限元軟件仿真技術(shù)認(rèn)可度的提高及共享性、模塊化的軟件應(yīng)用模式的推出及國產(chǎn)軟件的不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)企業(yè)中關(guān)于有限元仿真軟件的應(yīng)用技術(shù)將會提升，應(yīng)用范圍也將擴大或普及，國內(nèi)產(chǎn)品的設(shè)計和質(zhì)量必將越來越好，并將在市場競爭中擁有核心競爭力。