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  CAE软件是航空航天的核心技术
  ——在成都CAE国际会议上报告的摘要
  作者:黄志澄
  一、发展CAE软件的重要意义
  当今的航空航天工业,实质上是一种高端制造业。它的产品十分复杂,而它的发展面临着激烈的国际竞争。只有不断研发出更好性能、更低价格和更快的研发时间,才能在激烈的竞争中保持优势地位。为此,在整个研发过程中,必须使用更快计算速度、更强存储能力和与用户更友好、更融合的数据处理能力的计算机,同时还要求一整套更逼真、更灵活的仿真软件,这些软件的核心就是CAE软件。
  国外文献提供的数据表明,在产品的研发过程中正确使用CAE软件,可以大大减少设计过程中产生重大变化的概率,有数据表明甚至降低了15倍;缩短了产品研发时间的60%;降低产品使用中的故障率83%;产品的成本也有所下降。
  随着产品的自动化、数字化和智能化的发展,特别是正在研发的航空航天产品,其复杂程度和成本都在不断增加,从而对CAE软件的发展提出了新的挑战。
  二、航空航天发展对CAE软件的需求
  1.常规飞机的需求
  一般来说,飞机的设计可分为概念设计、初步设计和详细设计三个阶段。在概念设计阶段,要求CAE软件能提供有一定淮度而快方便计算各种飞机构型,在巡航飞行状态的能力。在初步设计阶段,要求CAE软件能具有提供所选飞机构型的适中准度的仿真能力,具有能进行性能确认和优化的能力,并能自动生成变化的构型和自动生成数据库的能力。在详细设计阶段要求进一步解决飞机设计中存在的复杂的设计问题。这就对CAE软件采用的物理模型和计算的准度提出了更高的要求。目前国外的先进CAE软件能满足飞机设计的一般要求,但对许多特殊问题仍然能力不足,特别是对于飞机发动机的非定常流动、飞机的稳定与控制、抖振边界、机翼控制和外来物体的撞击防护问题等,还没有适用的方法。说到核心的CFD软件,关键是目前尚无普适性的湍流模型,对于湍流、转捩和分离等复杂流动现象,其计算结果与风洞试验结果还有明显差异。
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  图1 CFD软件在常规飞机设计中的应用
  2.高超声速飞行器的需求
  目前世界各国发展的高超声速飞行器,主要有两大类。一类是以火箭发动机为动力的高超声速飞行器,如高超声速助推滑翔导弹和航天飞机等;另一类飞行器是以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器,如高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等。前一类飞行器对CAE软件的要求,是提供设计气动防热和稳定控制的仿真。后一类飞行器对CAE软件的要求,除了包括类似于前一类飞行器的要求外,还要提供吸气式发动机的仿真能力。这些吸气式发动机包括:超声速燃烧冲压发动机、各类组合发动机、高预冷吸气式发动机和爆轰发动机等等。
  高超声速飞行器的设计过程,已经不同于常规飞机。首先高超声速飞行器己经不能像飞机那样,将飞行器的机体和发动机分开来单独设计,而必须将机体与发动机进行一体化设计。进一步研究表明,高超声速飞行器的空气动力学、推进系统、控制系统、结构系统的四大系统之间存在着很强的相互作用。可以说目前市场上的CAE软件,还无法满足这方面的需求。
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  图2 高超声速飞行器要求采用新的设计方法
  3.航天飞行器的需求
  一般来说,航天飞行器可分为运载器和航天器两大类。运载器目前主要采用火箭发动机,未来也可能发展出新的动力系统。对于火箭发动机来说,急需开发全仿真软件,以大规模减少地面试验的次数而大大降低开发成本。美国的SpaceX公司开发的火箭发动机仿真软件,在降低火箭研制成本中起了明显的作用。
  对于火星飞行器来说,主要解决进入、减速和着陆(EDL)问题。由于火星的环境和地球完全不同,目前又缺乏可靠的环境数据和飞行器的飞行试验数据,让研发适用的CAE软件面临重大挑战。
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  图3美国SpaceX公司应用了火箭发动机CFD仿真软件
  三、我国急需发展自主的CAE软件
  当前,我国工业界正在紧锣密鼓地推进“制造强国”战略目标。
  工业制造的第一步是工程设计,而工程设计的基本工具当属计算分析软件。反观我国目前的仿真软件行业,几乎完全被国外产品所垄断。自主版权的仿真软件市场缺位,无疑是我国“制造强国”战略实施的最大软肋。
  有限元分析想必大家都不陌生,我在珠江三角洲地区作过调查,几乎不到1%的企业引进过有限元分析,也就是走访一百家企业,或许只有不到一家曾经引进过有限元分析,也许会被告知之前引进过某某CAE软件,后来停止使用了。
  珠江三角洲地区号称世界模具之都,在被誉为领先科技的塑胶模具行业中,正规引进Moldflow做塑胶模具分析的模具工厂寥寥无几。我曾经走访某知名塑胶零件和模具厂,厂长十分自豪的向我展示了他们的庞大的废塑胶零件回收车间,其回收能力之强,回收效果之佳,规模之大,让人叹为观止。殊不知,真正好的塑胶加工厂,塑胶零件的回收率应该是“0”。导致塑胶零件报废的原因有:模具质量差;注塑机工艺参数不稳定;塑胶质量不高;还有很重要的原因是模具未经过有限元分析优化。
  我曾经与某日用品生产企业研发主管交谈时,想听听他对有限元分析的看法,该企业产品主要出口,外国的买家要求做跌落试验,他告诉我说,每次产品样机出来后,都是以实物做跌落试验。不做有限元仿真分析的原因是:人才难求,软件太贵,计算机硬件要求高。
  有限元分析在制造业背负了价格高、人才难求、难以推广的恶名声,要想企业广为接受,难度之大可想而知。
  据了解,国外某著名品牌手机研发周期至少1年以上,多则3年,研发过程中涉及大量物理实验,电脑模拟仿真是确保产品质量的重要环节,可谓数年磨一剑,反观国内一些以“山寨”冠名的手机生产企业,直接打劫了外国手机的研究成果,省了大笔的软件投入,高素质人才培养成本,专利权购买成本。。。,这类企业的研发中心一般都不会配备原装电脑,组装的台式机或许是几年前购买的,操作系统自然是A版的,因为不需要研发了,那么,这些投入都是多余的了。
  事实上,大部分的企业还是以研发为核心竞争力,特别是经历了OEM朝着ODM转型的企业,已经不再满足跟着其他企业脚步走了,毕竟拾人牙慧,非长久之计。但是,有限元分析的高投入,人才难求是很现实要面对的问题。
  “山寨”一词最初流行起来,是指那些擅长仿冒、抄袭的中国企业,不做研发,以极低成本优势抢占市场,就像当年口碑不佳的“温州鞋”,或许是企业发展的必经阶段吧。
  但是,随着中国科技的进步和经济的发展,中国的制造企业不能老是山寨,必须要在原有山寨的基础上推陈出新。中国的CAE软件亦是如此,起步阶段可以山寨,后续可以自主创新。但目前为止,我感觉甚至都很少有相关的山寨软件公司,大部分CAE企业都在代理和销售国外CAE软件,为国外CAE厂商赚钱,我真心觉得这是一件很悲哀的事情。


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