CAE软件是航空航天的核心技术
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。
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。
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。
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，我感觉甚至都很古装片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。
举报/反馈