2012年7月25～27日，“第八届中国CAE工程分析技术年会暨2012全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会”在四川成都成功举办，来自全国各地各行业的300余人参加了本届盛会进行了深入的研讨和交流。

    CAE技术被应用得最深、最广的一直是国防科技领域，它也是应用最成熟的行业，其中包括航空、航天、兵器工业、核工业、特种行业等。MSC产品系列被广泛地应用于航空航天及国防行业，其用户包括美国宇航局（NASA）、美国联邦航空管理局（FFA）、洛克希德·马丁公司、通用电气、日本空间探测局、欧洲空中客车公司等。

    在中国，MSC正在为航空航天集团多部门服务，为神州飞船、众多型号的卫星、民用及军用飞机发动机等提供技术保证。为了更深入的了解MSC公司以及其旗下产品在我国航空航天领域的应用及发展状况，e-works记者在本次CAE工程分析技术年会上采访了MSC航空航天行业技术经理仰莼雯女士。

    仰莼雯女士 MSC软件公司国防行业技术经理

    拥有15年以上CAE应用经验，曾在中国船舶科学研究中心任职，参加过国家九五预演课题，结构强度，振动噪声分析，可靠性分析，复合材料模拟，优化分析，SDM平台项目管理，有着资深的经验，所涉及的工程业务领域领域有：整船有限元分析、大型集装箱船疲劳应用研究、液体罐箱流固耦合频谱分析、某雷达机箱振动分析、中国商飞C919机头气密性分析、某型号天线系统强度和振动分析、柴油机结构强度分析、东方汽轮机设备DDAM分析、船用柴油机集成仿真系统项目等。

深厚专业技术积淀，助推行业发展

    CAE技术在航空航天领域的应用首先是从结构有限元分析开始的，以解决零部件的强度、刚度、振动、寿命以及优化设计等问题。MSC在92年成立北京办事处，进入中国市场之初，应用主要集中在强度分析，如今，经过多年的发展，MSC公司已形成了专业、全面的产品体系，尤其是在航空仿真分析领域，能够帮助用户解决各种复杂的工程分析难题，为行业的发展起到的十分关键性的助推作用。

    随着航空航天领域研发技术的进步，航空仿真分析已经由原来的局限于简单的材料强度分析拓展到复杂的结构、系统级仿真分析。其中比较典型的例子就是：飞机起落架结构和航空发动机的仿真分析。

    起落架结构在飞机停放、滑行、起降滑跑时起到了支撑飞机重量、吸收撞击能量、滑跑滑行制动等作用。因为其恶劣的工作环境、复杂的结构，所以飞机起落架结构的仿真分析对CAE软件的要求非常高，这其中涉及到最多的是多体动力学分析和液压控制分析。

    图1 应用SimDesigner进行起落架刚柔耦合分析

    针对这些问题，MSC公司的产品ADAMS能够提供多体机械动力学仿真的解决方案，此外MSC公司从波音公司收购的系统仿真软件EASY5也是一款专业的航空领域液压控制仿真分析软件。这两套软件结合在一起就可以完成液压控制和多体动力学的联合仿真，针对航空领域MSC基本上都是采用ADAMS+EASY5的这种模式来模拟液压控制和多体动力学。

    针对航空发动机，从CAE应用的深度、广度和应用历史等各个方面来看，几乎找不到能比航空发动机更具代表性的行业。由于极恶劣的工作环境、极高的可靠性和性能要求，航空发动机产品的任何零部件设计几乎无一例外离不开各种高级CAE技术的参与。

    航空发动机的仿真模拟中涉及到了转子动力学、叶片飞脱、鸟撞、气动弹性等复杂现象的分析。对于许多关键零部件而言，往往还涉及到应力应变场、温度场和流场的综合作用，即需要进行耦合场分析。MSC.NASTRAN具有非常强大的动力学分析、非线性分析和热传导分析等功能，在航空发动机的仿真分析中应用得也非常广泛。

    近些年，飞机设计中由于节能减重等要求，对材料要求越来越高，所以复合材料的CAE分析也越来越常见。对此MSC也推出了相应的新技术，比如在NASTRAN里面加入的微观复合材料力学的分析内容，可以同时用在航空和航天领域。

    此外，MSC还收购了Actran为客户提供噪声分析解决方案，这里面有专用的航空噪声模块针对尾喷、涡流等现象进行仿真分析。

    通过并购整合，MSC也将解决方案延伸到了流体和声学领域。MSC希望提供一个整合的解决方案，为客户提供一站式的服务，最终目的是提供多学科优化技术，把不同学科不同专业的技术融合在一起，这也是MSC一直在努力发展的方向。以前完成整个系统的仿真需要用不同软件来实现，不同软件互相之间数据转换会带来仿真环境的不真实性。而现在使用一个软件就能避免了数据交换，还能提高计算精度。

    “航空主要关注材料强度、屈曲、疲劳等问题，而航天领域则主要关注结构强度和振动，尤其是振动。在航空航天领域，MSC的软件已经成为事实上的行业标准，国内从系统级到部件级仿真基本都在用NASTRAN作强度分析和振动分析：从航天研究一院的总装、航天三院、四院的部件到五院、八院的卫星仿真都在用NASTRAN进行分析。”仰莼雯女士介绍道。

    图2 应用SimDesigner进行襟翼刚柔耦合分析

    由于航天系统的复杂性，除了软件工具级别的使用，更多的是协同仿真平台系统。所以在航天领域有限元仿真工具的发展方向除了工具本身的多样性和协同性，其次还要与CAD结合进行快速建模、快速仿真、快速优化。由于试验和仿真的互相修正，CAE与CAD系统的集成趋势也越加明显。

多学科联合仿真，模拟真实世界

    航空航天设备仿真分析中涉及到多学科多物理场，为了真实的模拟物理现象，CAE软件需要具备多学科联合仿真多物理场耦合分析的能力。MSC的愿景就是在虚拟世界里模仿真实的世界。

    MSC强调现实的世界是复杂的，整个产品系统是复杂的，整个设计流程也是很复杂的，因此MSC的产品主要解决复杂的产品、复杂的设计过程和复杂的环境中普通分析软件解决不了的问题。“真实的世界是复杂的，MSC就是要提供专业的技术帮助客户模拟出来这种真实的世界。”仰莼雯女士充满信心的说道。

    在谈到CAE的技术发展趋势中还有很重要的一部分就是超大模型的仿真，以前由于计算能力有限，设计师总是去尽量的简化模型，现在为了追求真实地展现仿真结果而没有过多的简化模型，直接使用大模型来进行仿真分析。大模型的处理意味着网格数增多、计算量增大，这对计算硬件和CAE软件性能都提出了更高的要求。为了解决此问题，MSC公司一直强调和推广并行计算应用，特别是近两年针对并行计算不断地修正和改善内核技术，同时结合了最新的GPU加速技术，通过对MSC产品进行一系列的优化，从而显著地提升运算速度。在NASTRAN 2012版本中，也增加了链式分析SOL 400的计算能力，相对于以前的版本计算效率提高了一倍以上。同时通过加强对非线性稳态和瞬态的热传递、复合材料、噪声分析等学科的分析，有效提高了大规模复杂模型的计算能力。

    “CAE技术未来的发展会将各个学科拓展地越来越深入和具体，MSC的愿景是满足客户探索真实世界的需求。以往做各种分析是用线性静力学方式分析的，但现实世界是非线性，所以未来还会有很多的未知的领域需要去探索。MSC一直在强调，探索广袤的未知世界，尽量在虚拟世界还原现实世界。从我们的角度来说，我们更专注于在现在的产品线里面，如何去把真实的世界模拟出来，无论是不同的学科整合，不同的多物理场整合，尽量在虚拟环境中模仿真实世界。”针对CAE未来的发展趋势仰莼雯女士谈道。

后记

    2013年MSC即将迎来50周年华诞，在这50年中，MSC开发或收购了包括Patran、Adams、Marc、Dytran、Easy5，Actran等著名的CAE应用软件，通过不断扩展MSC软件的工程分析领域，最终达到在虚拟世界里实现真实模拟复杂的现实环境。在未来，MSC也希望通过更多产品的整合实现更简单的产品，更简单的人机界面，去解决更复杂的工程问题，从容应对仿真分析领域中不断出现的各种新挑战，为客户创造价值。