“各显神通”的结构分析软件之科研院所篇

引言

钱学森先生曾讲过著名的一句话：“今日的力学要充分利用计算机和现代计算技术去回答一切宏观的实际科学技术问题，计算方法非常重要。”作为力学的典型应用，国内多个科研院所通过研究课题或科研项目的形式开展了结构分析软件的研发工作，诞生了一批各具特色的结构分析软件。

本文将介绍三个源于科研院所的典型结构分析软件系统，剖析其成长过程与发展现状，从而进一步思考如何更好地研制我国自主的具有世界先进水平结构分析软件系统。

中科院数学所——FEPG

我们所熟知的通用结构分析软件，如国外的ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、国产的HAJIF等系统，都是利用较为成熟、通用的求解算法解决常见工程结构分析问题的通用软件，虽然这些软件已经可以覆盖大部分结构分析问题的求解，但是随着用户群体的不断扩大，对一些特殊领域中的特殊需求可能无法满足。同时，由于通用软件的体系庞大、源代码不公开，且大多数工程师、教授与科研人员主要从事于有限元方法理论或应用的研究，缺乏有限元程序开发的能力，导致很多新的研究方法或理论无法及时更新到结构分析软件中。

图1 梁国平教授

基于上述原因，1983年梁国平教授于中科院数学所开始研发有限元程序自动生成系统FEPG（Finite Element Program Generator），系统于1990年研发成功，并在1995年获得国家科技进步二等奖。用户可根据有限元方法统一的数学原理及其内在规律，在输入有限元方法所需的微分方程表达式和算法表达式后，即可由FEPG自动产生全部有限元计算所需的源程序，包括单元子程序，算法程序等。FEPG的研发较好地满足了一部分研究人员希望有自己的有限元程序、却不擅于编程的问题，免去了大量繁琐的有限元编程劳动，保证了程序的统一性和正确性。

图2 FEPG软件架构

2004年，FEPG推出了并行版本pFEPG。采用有限元语言作为书写代码，融合了公式库技术、组件化技术和自动生成技术，使用户非常自然和简单地根据微分方程表达式和算法表达式来自动的产生可用于并行计算的有限元程序。

FEPG系统采用组件化的设计方法和程序结构，新的功能模块以组件的形式定义和添加，核心系统的健壮性和独立性不受任何影响，结构简单清晰。除了平台本身的开放性以外，用户可以获得任何应用的FORTRAN源代码，从而降低了软件部署的复杂度，提高了用户的参与度。与国内外主流通用有限元软件相比，利用FEPG进行开发还具有程序代码精炼以及投资少等优点，但存在界面不够友好、对用户的起点要求较高等缺点。

FEPG系统已应用于石油化工、机械制造、能源等领域，并在高校进行了有限元教学的推广。同时梁国平教授在CAE软件的商业化方面也进行了积极有益的探索。1999年，在北京创立了飞箭软件有限公司；2009年，落户天津中新生态城，成立元计算科技发展有限公司，基于FEPG系统研发了压力容器分析等专用软件。

图3 压力容器分析软件

中国工程物理研究院——PANDA

当今西方先进发达国家将高性能工程计算提升到了事关国家核心竞争力的高度，投入了大量科研经费和人员，研发了系列大规模高性能并行计算软件框架，形成了具备数千万至数十亿自由度计算规模、数千上万以上CPU核的高性能数值模拟能力。特别在一些关键领域，提出“基于实验的武器研制转向基于数值模拟为主”的战略发展方向，在并行计算机上开展武器系统从库存到靶目标的多尺度、多物理场的数值模拟，包括发射动力学、爆炸分离响应、再入过程的振动问题等。而我国虽然在超算硬件上达到了世界前列，但是在自主结构分析的大规模并行方面还有很大的差距。

图4 神威超算

为提升专门应用领域的数值模拟能力，中国工程物理研究院从2007年开始启动专项研究工作，旨在为工程力学数值模拟中涉及的精细物理建模问题、大型多功能应用软件高效率协作开发及复杂多尺度、多物理场耦合分析等问题提供集成开发和应用环境。主要研究内容包括基础开发框架PANDA和应用集成平台。PANDA由一些面向对象的基本服务组件组成，为并行计算有限元应用软件的开发提供具有共性的通用基础性支撑。应用集成平台由一些具体的应用集成模块和计算应用软件组成，为复杂工程力学问题的数值模拟提供集成化的应用支撑环境。借助PANDA框架所提供的基本网格、场等底层数据结构服务组件以及应用参数解析、数据输入输出和求解器等基本工具组件，已开发出若干个基于框架的有限元应用计算程序，具备结构静力、传热、模态、振动和冲击分析能力。PANDA具备了上万核、数十亿自由度应用程序开发所需的底层数据结构、并行通信、通用解法器包等计算机共性层、数值计算共性层支撑环境能力。

从公开的文献来看，PANDA静力学程序具备了求解三维实体线弹性和双线性弹塑性并行求解的能力；PANDA模态分析程序具备了求解三维实体线弹性模态分析并行求解的能力；PANDA冲击动力学分析程序具备了短时冲击动力学问题的显式积分并行求解的能力。

“十二五”期间，中物院成立了高性能数值模拟软件中心，将物理建模、数学离散与并行计算三者有效分离，发挥不同领域专家的专业优势，基于软件中心研发的非结构化网格框架JAUMIN对PANDA平台进行了重构，使软件的功能、性能及好用性方面得到了提升。

图5 基于JAUMIN框架重构的PANDA平台

PANDA平台的静力振动分析、冲击动力学分析、离散系统分析等功能已在中物院四所、水科院、清华大学等单位得到推广应用，在武器装备、大型科学实验装置、土木水利工程、地下工程等复杂工程的设计分析方面起到了重要的作用。

图6 巨型光机系统随机振动分析及地震响应谱分析

郑州机械研究所——紫瑞CAE

上世纪九十年代，为了解决我国大量的中小型企业对结构分析软件的需求问题，面向设计人员开发一款操作简单、使用方便、自动化程度高的结构分析软件，郑州机械研究所联合中科院数学与系统科学研究 所和北京大学，通过国家 “九五”重点科技攻关项目、国家科技部中小企业创新基金项目支持，开发出具有自主知识版权、与上游三维 CAD 软件无缝集成的结构分析软件产品“紫瑞 CAE ”，并于 2004 年获得机械工业科学技术奖二等奖。

图7 紫瑞CAE软件界面

紫瑞CAE自动化程度较高，用户使用门槛低。根据用户提供的上游CAD软件（包括SolidWorks公司的SolidWorks系列版本及AutoDesk公司的AutoCAD或MDT，支持IGES、CDAFS、STEP、3Dstudio、ACIS、DWG等格式文件）建立的三维实体模型，紫瑞CAE可以直接施加体力、面力、线载荷、点载荷、指定位移等边界条件，进行三维有限元网格自动剖分，且具有网格局部加密的功能，总体的均匀剖分和局部的加密剖分就可以形成疏密相间、合理过渡的有限元网格。用户选择有限元分析类型后，紫瑞CAE便可按照内置的流程自动完成分析，并调用后处理结果分析和设计检查。紫瑞CAE提供八种有限元分析类型，包括线性静力分析、线性动力响应分析、自由振动分析、线性屈曲分析、非线性静力分析（材料、几何非线性）、非线性动力响应分析、稳态温度场分析及热应力分析。

图8 紫瑞CAE计算结果云图

紫瑞CAE系统由于操作便捷，用户门槛低的特点，在机械、汽车、建筑、桥梁等行业有一定的工程应用，在高等院校有限元分析教学方面也进行了一定的推广。

结束语

从国产结构分析软件院所篇介绍的几个结构分析软件系统发展与现状 来看 ，我们可以得到以下几点启示：

1）科研院所作为我国的重要的核心科研力量，在“前有进口、后有盗版”的大环境下，通过课题和项目的支持研发了系列国产结构分析软件，如FEPG的自动生成有限元程序、PANDA的大规模并行计算、紫瑞CAE的便捷操作等都极具特色，在一定程度上满足了当时国内不同用户群体的使用需求。

2）结构分析软件的研发往往需要几十乃至上百人的高智力的劳动和巧妙的设计思想，既是一项高难度的科学研究，也是一项大规模的工程，其成长离不开持续、大量的经费。目前仍活跃在市场的团队或者由国家课题、院所自筹经费持续支持，或者转向商业化公司运作，而没有项目支持的团队只能“日渐式微”。

3）科研院所往往专业齐全、科研人员相对固定，且具有良好的历史积淀和实践经验的积累，对于结构分析软件的初期研发具有得天独厚的先天优势。但是，在软件在成功研发后如何能够持续地进行产品的升级和运营维护，逐步赶超国外软件，需要后辈人不断的智慧和勇气来逐步实现。

参考文献

[1] 元计算（天津）科技发展有限公司，pFEPG并行有限元自动生成系统

[2] 百度百科词条：FEPG

[3] 梁国平，有限元的自动生成与应用

[4] 中国有限元软件的坚定守望者——访飞箭软件公司总经理梁国平教授

[5] 史光梅，面向对象有限元并行计算框架PANDA

[6] 肖世富、范宣华等，重大装备工程力学并行分析软件平台PANDA研发进展

[7] 田荣，中国CAE软件发展的新契机，计算机辅助工程

[8] 吴蕙、张帆，走自主创新之路，打造国产品牌CAE软件

[9] 王锡山，紫瑞CAE“傻瓜”版软件介绍.

《国产结构分析软件发展战略研究》系列文章将介绍“国产结构分析软件发展历程高校篇”。

敬请期待！

排版：蓝 风

编审：武 晨

监制：王 兰

看航空融媒体工作室出品

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