发布时间：2020-05-15 11:58
发布人：司英占
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“以史为镜，可以知兴替”，学习历史、从历史中取得借鉴，是人类社会一个永恒的主题。在我国自主结构分析软件发展的关键时期，充分了解国外结构分析软件发展演化的历程，对我国自主软件的发展具有重要的指导意义。 结构分析软件诞生于航空航天工程中复杂装备研制对结构性能仿真分析的需求，目前已经广泛应用于航空、航天、船舶、轨道交通、汽车、电子产品等多个领域，成为先进制造业提升产品性能、节省制造成本、缩短研发周期的核心能力之一。 结构分析软件从上世纪60年代诞生到今天已经经历了近60年的发展历史，大致可分为军工驱动（1960S-1980S）、持续支持（1980S-2000S）、市场推进（2000S-2010S）、重组壮大（2010S-今）四个阶段。
1956年，美国波音公司M.J.Turner等几位专家，为飞机研制开发了一套内部有限元程序，用于翼面结构的强度计算，开创了结构分析软件先河。他们将这项工作发表了名为《Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures》的论文，文中把这种解法称为刚性法(Stiffness)，引起工程界轰动。人们发现利用这种方法来求解不同结构体状态的基本控制微分方程时不需要复杂、独特的技巧，对求解各类力学问题表现出广泛的适用性，随着计算机和编程语言的普及，这种革命性的方法立即受到工程界广泛的关注。
1966年，美国航空航天局（NASA）为满足阿波罗登月项目中对结构分析的迫切需要，美国政府组织开发了第一个工程实用的结构分析软件NASTRAN（NASA Structurla Analysis），用于计算不具有可试验性的飞行器结构。1969年NASA推出其第一个NASTRAN版本，即NASTRAN Level 12。在登月计划完成后，为了满足美国的市场战略需求，美国政府将NASTRAN的源代码在美国公开，MSC公司被指定为NASTRAN的维护商。
1969年，美国John Swanson博士建立了Swanson Analysis Systems Inc(SASI) 公司，开发STASYS (Structural Analysis SYStem)软件，可计算核子反应火箭的结构应力和变形，后发展为商用结构分析软件ANSYS。
1972年，David Hibbitt在美国布朗大学完成其博士论文，这期间他和他的导师开发了非线性有限元软件MARC。其后，David预测未来工业界将对结构分析软件提出更高的要求（事实证明这个预测是非常正确的），而当时的MARC软件在规模、精度和可靠性上均不足。由于David与其导师在是否深度改造MARC上产生严重的分歧，David后来成立HKS公司，研发另一套非线性软件ABAQUS。他的第一个客户是美国西屋核电公司，软件可计算核反应堆中核燃料棒的接触、蠕变和松弛等问题。
1976年美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室J.O.Hallquist主持开发了LS-DYNA的研制，主要目的是为核武器的弹头设计提供高速碰撞、爆炸等分析工具。比较有趣的是，虽然DYNA软件在很长一段时间内都是作为开源程序，在美国各大高校广为流传和迅速发展，但DYNA程序首先被法国ESI公司商业化，命名为PAM-CRASH。
1980年，美国洛马公司为解决C系列运输机的气动弹性问题，研发TSO软件，具备机翼气动弹性综合设计能力。 1980年，美国空军怀特实验室为解决X系列飞行器超重问题，研发ASTROS软件，具备多学科分析和设计能力。 这个阶段是国外结构分析软件的成长壮大期，软件的功能、性能、可靠性迅速完善，这个阶段的关键因素在于政府的引导和科研计划的鼎力支持。在国家战略层面，美国一直把科学计算和建模仿真作为服务于国家利益的关键技术，美国“竞争力委员会”白皮书《美国制造业——依靠建模和模拟保持全球领导地位》，将建模、模拟和分析，视为维系美国制造业竞争力战略的王牌，结构分析软件也是美国重点支持的方向之一。
1983年美国在“拉克斯报告”中强调，科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键环节，是事关国家命脉的大事；
1984年美国国家科学基金会（NSF）成立“先进科学计算办公室”全面指定高级计算科学发展规划；
1987年NSF把“科学与工程计算”作为三大重点支持领域之一；
1991年“高性能计算与通讯HPCC”计划旨在探索采用计算方法解决科学与工程中的重大挑战，投资重点为先进软件技术与并行算法；
1995年实施“加速战略计算创新计划ASCI”，致力于开发高级应用软件，建立解决问题的环境；
1995年10月国防部制定了一项《国防部建模与仿真主计划》为基于仿真的采办提供了框架和基础设施；
1999年，美国发起IT2计划，重点向用于科学工程和国防的高级计算等三个领域进行投资；
2004年总统信息技术咨询委员会报告指出，对数学和计算科学算法的持续开发和改进是未来高端体系成功的关键；
2005年总统信息技术咨询委员会指出“为确保美国竞争力，计算科学已成为科学领导地位、经济竞争力和国家安全的关键”；
2006年，NSF发布《基于仿真的工程科学》，指出计算机建模与仿真，是工程和科学取得进步的关键因素，建议加大研究投入；
2009年，美国“竞争力委员会”白皮书将建模、模拟和分析的高性能计算，视为维系美国制造业竞争力战略的王牌；
2010年美国NASA制定了未来20年航空航天飞行器建模、仿真的技术路线图；
2012年，美国发布《国家先进制造战略计划》再次明确要重点发展数值模拟分析技术。
图5：美国国家机构制定的研究计划
通过政府引导，以及系列国家计划的支持，结构分析软件与装备发展得到了天然的融合，在这一时期得到了长足的发展。 以美国NASTRAN软件为例，MSC公司于1988年加入了新的单元库、增强了程序功能提高了运算精度和效率，特别对矩阵运算方法进行改进；1989年形成了新的执行系统、高效的数据库管理、更易理解的DMAP二次开发手段；1994年在优化设计、热分析、非线性、单元库、数值计算方法及整体性能水平方面有了很大提高；之后在非线性、梁单元库、h-p单元混合自适应、优化设计、数值方法及整体性能水平方面均进行了改进和增强。 这个阶段随着现代工业产品的复杂性和成本不断增加，产品的性能、价格和研发周期面临着更多的挑战，对结构分析软件提出了大量的需求。在旺盛的工业市场需求推动下，美欧等国大量的结构分析通用/专用软件涌向市场。除了常规的结构数值模拟之外，已经扩展到对产品未来的工作状态和运行行为的模拟仿真，可及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案。
这个阶段结构分析软件已经深度融入工业产品的全生命周期中，成为研制先进产品的必备工具之一。这些软件的应用推进了结构分析软件在工业领域的应用，但也暴露出多个软件架构/模型/数据不统一的弊端。
在数字化研发模式驱动下，多学科/多专业/多物理场耦合成为新的发展趋势，商业CAE公司利用资本手段进行大量的兼并与收购，完善其产品线和功能布局，将功能各异的分析软件整合成为“大系统”，在统一的软件架构上不断完善其产品功能性能。
1989年MSC通过兼并荷兰PISCES而进入高度非线性分析市场；1998年MSC又兼并2D和3D运动学仿真软件的开发者Knowledge Revolution公司；1999年收购了两家小而有特色的公司（UAI和CSAR），从此，MSC成为市场上惟一一家提供Nastran商业代码的供应商；同年，还一口气吃掉了第一个商业非线性有限元程序MARC；2002年，MSC以1.2亿美元收购世界著名虚拟样机仿真软件MDI公司，其中最大的宝贝，就是大名鼎鼎的机械系统运动学、动力学仿真分析软件ADAMS被收入囊中，这成为MSC分析体系中一个重要的组成部分；同年MSC公司收购波音公司的Easy5软件，2011年和2012年，MSC分别收购了比利时著名的声学软件公司FFT（自由声场技术）公司和高端材料仿真领域厂商e-Xstream，2016年MSC软件公司收购焊接与成型仿真领军企业Simufact；但在2017年，MSC被与CAE关联度极低的瑞典著名测量设备制造企业海克斯康以8.34亿美元收购。
2000年开始，ANSYS进行了一系列收购，包括：ICEM CFD Engineering、法国的CADOE;2003年，ANSYS公司出资2100万美元收购AEA公司的CFX软件业务;2006年，ANSYS公司已成功完成对Fluent的收购活动，共花费六百万股普通股和2.99亿美元的现金;同年ANSYS又收购了Century Dynamics公司，将高速瞬态动力分析软件纳入到ANSYS的分析体系中;2019年，ANSYS公司再次收购冲击分析软件DYNA，不断扩大其产品线。
2005年，达索公司收购ABAQUS软件，并创建SIMULIA品牌，建立了功能仿真的核心平台；2006达索收购瑞典的工程仿真环境开发商Dynasim AB，获得建模语言Modelica；2008年达索收购Engineous公司，获得了集成设计和多学科优化软件Isight，增强了其在仿真生命周期（SLM）对数据、过程、工具和知识产权集成优化的能力；近年又陆续收购塑料注塑仿真技术Simpoe、多体仿真SimPACK、高度动态流体场仿真领域Next Limit Dynamics等软件。
图9：Dassault软件兼并路线图
虽然国情和所处的历史时期不同，但通过研究国外结构分析软件发展的军工驱动、持续支持、市场推进、重组壮大四个阶段的关键成功要素，对我国自主结构分析软件的发展有诸多有益启示：
1）结构分析软件的本质是具有核心竞争力的工业技术，与工业装备的研制和发展密切相关。
从起源来看，结构分析软件来源于装备的需要，应用于解决装备的问题，因此，脱离了本国工业实际情况的结构分析软件无法形成国家核心的战略支撑能力，强大的中国必须要自主研发世界一流的结构分析软件工具。
2）科学计算能力是国家的核心竞争力，结构分析软件具有极其重要的战略地位，需要政府持续引导和支持。
从国外结构分析软件成长壮大的轨迹来看，在国家战略层面，美国政府长期以来将科学计算和建模仿真作为服务于国家利益的关键技术，从未停止过投资；同时由于结构分析软件的研发是非常复杂的系统工程，既需要基础性和专业性的工业技术，包括数学、力学、运动学等学科的最新成果，也需要实用性和先进性的软件技术，因此需要国家从宏观层面协调各种资源，进行持续引导和支持。
从国外结构分析软件的发展历程来看，软件的发展始终是以工业需求为导向的，只有通过市场化手段及时掌握工业领域的最新需求，不断吸收先进的科研技术成果，持续优化和提升软件功能、性能，形成闭环才能保证软件旺盛的生命力；也只有通过大量用户的反复使用、纠错和反馈，软件才能逐步完善从而一步一步走向成熟。同时，市场化推广可以为软件可持续研发提供资金支持，是促进软件良性循环的最佳途径。
[3]孙侠生.创新和市场是驱动工业软件产业化发展的双轮——对我国CAE软件产业发展的思考[4]姚卫星.我国航空软件困窘：跟国外同时起步，30年还在原地走
转自：看航空公众号
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