自主CAE软件产业的功亏得失.doc

自主CAE软件产业的功亏得失连载之一发表时间：2010-4-20 陆仲绩 来源：e-works关键字：CAE 自主品牌 数值仿真 工程分析 信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本本文阐述仿真技术的作用和重要性，探讨了提出CAE技术的技术表现形式和产业发展进程，为科学制定合符国情的国家产业政策，提出建设自主软件产业的基础准备。目前主流CAE商业软件对于中小企业而言是“买不起”的奢侈工具，对于国家而言稍高端的模块则是“买不到”的禁运物质。虽然自主CAE软件技术的基础理论研究在多个领域已接近国际先进水平，并且已经拥有众多自主关键核心技术，也具有广泛的市场需求和国家战略发展目标，且与先进制造业和生产性服务业发展联动密切。然而受工程分析中不确定因素和对数值模型认识不当的影响，至今在很多时候、很多地方在使用商业软件进行模拟分析工作时对工程设计分析和认证考核流于形式，由此产生了对CAE理论研究的误解、CAE技术应用的误导、对CAE软件产品的误用，从而对自主CAE软件产业的重要性缺乏应有的认识和足够的勇气。    本文为陆仲绩先生对国内自主CAE软件产业的一个全面的分析与理解，对CAE软件在国内的地位、总体状况进行了分析，并对自主产品形成生态链规模化提出了宝贵的一件，详细的内容如下：第一章 数值仿真从工程辅助到工程分析的战略进步（地位）    本节阐述仿真技术的作用和重要性，探讨了提出CAE技术的技术表现形式和产业发展进程，为科学制定合符国情的国家产业政策，提出建设自主软件产业的基础准备。前言    2007年下半年，中国科学院向国务院呈送了关于发展事关国家竞争力和国家安全战略的CAE软件产业的建议的报告，对此国内众多科研院所、应用单位和行业内专家学者反响热烈，深受鼓舞。于2008年下半年相继在北京召开了以“发展CAE软件产业的战略对策”和“我国高性能计算的发展与对策”为主题的香山科学会议，围绕推进产业结构调整和发展方式转变，各地区、行业纷纷根据自身特点和需求，交流技术发展成果、软件应用进展和共商产业发展对策，商讨自主CAE软件产业建设的功亏得失。目前普遍存在着的“重实施、轻规划，重技术、轻管理”现象使得产业建设缺乏清晰的发展主线(产业化、规模化)，影响了国家战略新兴产业的产业定位、延迟了新兴产业建设的推进实施。从长远的规划和可以操作的管理层面来讲，存在以下三方面有待重视和解决的问题：一方面是CAE技术已经从计算机辅助工程到计算机分析工程所引起“质”的提升，这是提出建设自主软件产业的基础；另一方面要了解和剖析产业化现状和差距，从消除认识误区着手，在体制、机制和法制三大层面探索产业建设的创新模式；随着经济体制结构和管理机制结构的不断完善和调整，结合重大挑战性项目和若干基础科学问题，依此提出实际和具体的对策方案，以供人们议论、参考和决策。    目前主流CAE商业软件对于中小企业而言是“买不起”的奢侈工具，对于国家而言稍高端的模块则是“买不到”的禁运物质。虽然自主CAE软件技术的基础理论研究在多个领域已接近国际先进水平，并且已经拥有众多自主关键核心技术，也具有广泛的市场需求和国家战略发展目标，且与先进制造业和生产性服务业发展联动密切。然而受工程分析中不确定因素和对数值模型认识不当的影响，至今在很多时候、很多地方在使用商业软件进行模拟分析工作时对工程设计分析和认证考核流于形式，由此产生了对CAE理论研究的误解、CAE技术应用的误导、对CAE软件产品的误用，从而对自主CAE软件产业的重要性缺乏应有的认识和足够的勇气。    数值仿真技术应用是一项工程过程，从理论研究到软件集成，再到工程应用，正是对工程品质的认识多样性和数值仿真的理解复杂性等诸多不确定性因素所造成的资源浪费，不仅使个人产生畏难情绪和对新兴产业的错误认识，而且加大了推广难度。然而在今日，计算科学（数值仿真）已经与理论研究、实验科学成为现代科学的三大支柱之一。计算科学以数值仿真技术作为工具和手段，借助于计算机作为理论研究的指导、实验科学的验证，帮助实验科学在无法模拟的条件状况中进行研究工作，并为理论发展提供依据和机会。从某种程度上说，事关国家竞争力的自主数值仿真软件产业直接关系着经济社会发展全局和国家安全。    经历了国际金融危机冲击，全球进入了空前的创新密集和产业振兴时代。面对这种情况，我们必须重视发展战略性新兴产业，同时要在最有基础、最有条件的领域突破核心和关键技术。战略性新兴产业具有市场需求前景，具备资源能耗低、带动系数大、就业机会多、综合效益好的特征。正是转型和创新已到了势在必行之时，自主CAE软件产业作为国家的基础性、战略性产业，也将迎来春笋“拔节”的生长时机。“自主技术”成果转化推动传统制造业向先进制造业转变、“瓶颈技术”科技攻关促使信息服务业向生产性服务业升级，自主CAE软件产业对于其他新兴产业产生明显、直接的推进作用，显现出具有调整经济发展方式的产业结构联动优势和放大新兴产业能量的作用。    近年来，有地方政府以提供专业技术公共资源服务的方式作为缓解中小企业利用商业CAE软件解决产品提高市场竞争能力的需求，也尝试以公共服务平台方式推动自主CAE软件技术体现自身特色的应用实践。实践表明构建专业技术公共服务平台的方式，不失为在知识经济时代探索战略产业建设的一种有实际效果的创新模式。然而建设自主软件产业涉及到众多的应用行业和领域，蕴藏着丰富的跨行业商机和技术创新的生长点，在产业结构调整、促进发展方式转变的大背景下有着更深远的影响和优势。    建立一个在国内几乎是全新的新兴战略产业显然不是一件容易的事，而更不容易的是观念上要有所突破和创新。要在短时间内建设能赶上经济发展需求的自主CAE软件战略产业确实尚无先例可循，以往政府是在助力“引导”或“发展”上下工夫，而如今全新的“建设”难度就可以想象了。当然首先要在政策上有所创新，其次是要突破体制机制上的障碍。随着市场经济体制的逐步完善和建立，并非所有的新兴战略产业都指望完全依靠技术专家来承担产业发展和企业建设的任务，产业建设不仅是技术专家的技术转移、实践的需要，将散布在各处的学术成果和应用技术整合成产业体系建设中关键一环应该是政府管理机构的职能和责任，同时也要摆脱新兴战略产业建设完全依赖“举国机制”才能发展的单一模式。知识经济时代更需要在社会环境（体制、机制和法制）和开发条件（学科研究、应用行业和知识资本）上创造适合产业发展的生态链规模化的环境。新兴战略产业建设是国家意志的体现，自主软件产业建设也该是一个从国家主导酝酿、国家引导创建、政府扶植发展和在市场指导下逐渐培育成熟的渐进演变过程。以发挥政府引导为起始，成为既能体现政府管理职能、又有应用技术研发能力的机构来担当此重任，汇聚社会资源（包括社会科学和工程技术）组成筹建小组，筹建有政策影响力的产业研究中心。从而标志政府层面的产业实践进入了起步阶段，体现出政府对于国家战略产业的掌控指导和决心。只有代表国家意志的政府机构有能力形成实现宏观调控与市场机制有机融合的研发链、建立协调统筹与市场主体有机结合的企业链和促进科技与经济和供给与需求互动的市场链，以及贯穿整个知识经济时代的物质、知识和管理共赢的产权链，从而形成环链紧密相扣构筑成自主CAE软件产业所需的“产业生态链”。行使政府管理职能的应用技术研发机构，对于利用各层面资源优势、促进产学研结合、促进科技与经济结合具有自身特有的优越条件，必须以其清廉公正的行为规范(政治基础)、开放专业的制度建设(组织保障)、不作同质低层次竞争(内在机遇)和探索实践的奉献精神(企业文化)，体现出能够胜任此重任的形象。    作为解决经济结构调整问题的方案，从产业政策上的“放水养鱼”和时间跨度上的“先紧政府小范围后宽社会大市场”作为探索过程，以循序渐进的方式形成有我国特色的体制创新、机制建设和法制观念增强、在国家层面实现资源整合的自主产业模式，尽快促进共性关键技术的规范化、规模化和产业化。    “上兵伐谋”，万事具备，已呈蓄势待发之势，自主CAE软件产业建设蓝图或将呼之欲出。以往在市场商品化过程中“功亏一篑”的坎坷境遇，其经验教训是深刻的。在自主CAE领域，我们有核心技术，有开发人才，有国家内需，然而由于协调管理和资源整合的长期失落，只能处于“被动挨打”和出卖廉价知识成果的“守势”阶段。在全球化的知识经济时代，在战略产业建设这个环节中，新兴战略产业的成败，已经不再是企业与个人的得失，而是国家和民族之间的竞争，没有国家意志的强大体现，就只能都成为被伐者；产业结构调整就是有步骤、有计划、有规律的“伐谋”，作为一个不可能依附于发达国家的崛起中大国，既然不能消除“政治禁运”和商业垄断，何不自己动手推动自主资源的集成创新。“不战而屈人之兵”，让别人知道我们也有同样的软件，而且有特色、有技术、有水平，形成了可与其相匹敌的工程化和产业化整合，目前遭遇的尴尬局面就将不复存在。    “故兵不顿而利可全，此谋攻之法也。”      感谢钟万劢先生题赠“上兵伐谋”字幅，苍劲老道，沧桑扑面，顿生清凉。第一章 数值仿真从工程辅助到工程分析的战略进步（地位）    以一名工程技术人员的视角，看到有限元技术从理论到工程项目应用所取得到的技术进步，以及逐渐成为数值仿真的核心理论基础的历程，就会明白数值仿真技术从工程辅助到工程分析的跨越式进步实属当今科技界所取得的一项巨大进步。循序CAE技术顺应工程研究需求而迅速发展的不同阶段，这是以理论(理论是基础)进步带动工程应用(应用是目的)、程序编制(程序是工具)到软件系统(软件是商品)形成的发展过程，铸就了自主CAE软件技术在优化产业结构调整和提高自主创新能力的重大作用和对于国家战略安全的特殊地位。正是从理论到软件的发展过程，揭示了CAE技术已经从原先计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）到计算机分析工程CAE（Computer Analysis Engineering）所引起“质”的提升，由此作为提出建设自主CAE软件产业的依据，为制定合符国情的国家产业政策提供参考。    二十世纪六十年代冯康“独立于西方”给出了有限元法的数学证明，随着计算机技术、近代力学理论和工程研究需求的迅速发展和多学科融合，CAE已经成为一项事关国家竞争力和国家安全战略的软件产业。2004年，严隽琪等提出了“建设有自主知识产权的CAE平台，应是一件十分有意义的事”设想，开始了推动自主CAE软件产业建设的探索；2007年，中国科学院向国务院呈送关于发展事关国家竞争力和国家安全战略的CAE软件产业的建议的报告，由此业界形成了自主CAE软件产业作为国家战略产业的共识。    作为数值仿真技术的核心CAE软件产业的形成和建设具有强烈的“扩散效应”，自主发展将给整个国民经济的稳定发展提供重要基础。从二十世纪六十年代自主奠定了CAE软件系统核心技术的数学基础以来，到至今依然依赖国外软件所形成的被动局面，其对国家竞争力和国家安全战略的影响是巨大而深刻的。屡战屡败，屡败屡战，虽不放弃，但自主CAE软件产业面临形势严峻，经验教训沉重，已经成为自主创新道路上的拦路虎，更造成巨大的心理阴影。有没有必要、有没有能力，认识问题、消除误区是建设自主CAE软件产业的前提和基础。在产业结构调整中扬长避短、在服务国家战略中体现“海纳百川，有容乃大”，以不断融合、改革、发展的精神、从国家战略产业的迫切需求来认识数值仿真技术对于国民经济建设的重要性、从自主软件产业对于带动先进制造业和生产性服务业的能量来认识CAE技术提高行业竞争力的可行性、从高新技术产业对于留住高端技术人才和科技成果的作用来认识自主产业建设的必要性、从全国上下同心同德推动产业结构调整的决心和信心来认识落实自主CAE软件产业的时代性。特别是当前的产业化建设氛围和条件都已今非昔比。把解决思想顾虑和实现自身发展结合起来，用产业整体发展和群体个性发展的成效来提高认识是必要的。    本节阐述仿真技术的作用和重要性，探讨了提出CAE技术的技术表现形式和产业发展进程，为科学制定合符国情的国家产业政策，提出建设自主软件产业的基础准备。1.1 从参考到依据 数值仿真已经成为工程分析的核心技术（理论）    随着计算方法和技术手段的发展，计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）已经成为工程科学中利用计算机进行数值模拟仿真设计和虚拟验证的技术，成为名副其实的计算机分析工程CAE（Computer Analysis Engineering）。正是紧密结合重大项目所需的工程研究，CAE技术在理论研究、成果转化、效果验证和投入使用的各个阶段都得到了相应的发展和提升，其功能正从“辅助”转变为“分析”，其作用也实现了从“提供参考”到“工程依据”的实质性转变。1.1.1 数值仿真是转变研究开发模式的关键技术    “十五”期间，国家组织实施并实现了以“甩图板”为目标的“制造业信息化工程”，培育出了一支利用计算机辅助绘图和设计CAD(Computer aided design)的专业化队伍。CAD的作用是对产品进行几何数据描述，而CAE则是对产品进行品质（功能、特点、可信赖度、耐用度等）数值仿真。计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)是涵盖企业生产、设计和管理等所有与计算机有关的软件系统，作为支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统，随着技术手段的发展和变革，已成为进行分析工程CAE（Computer Analysis Engineering）研究的核心技术，对产品进行指导和作为设计依据。    由于有限元技术的成熟以及计算机技术的发展，企业不仅希望把产品能画出来、看得到，但更希望能知道产品性能和使用寿命周期。CAE对工程结构与产品的性能及其生产加工过程，利用“虚拟制造”、“数字化制造”的技术进行分析、模拟、预测、评价和优化，因而对于传统的“试验，失败；分析、改进后再试验，再失败，直至成功”研究开发模式形成了巨大冲击，对于先进制造业发展具有举足轻重的作用。CAD技术的普及为产品提供了几何数据和直观设计，而CAE与CAD紧密结合，在现实设计环境还不可能完全由计算机仿真来代替实验时，通过计算机仿真来选取可行的评测方案，以降低产品的实验成本，即所谓的基于仿真的工程科学SBES(Simulation Based Engineering Sciences)。使得从过去回答“产品失效了吗？”到要求回答“产品何时会失效、为什么会失效？”的转变。这种转变的实质是数值模拟结果已经从设计校核和“供设计参考”转变为“设计的依据”。正是这种工程研究不断提出的内容和要求，CAE技术从针对特定问题编制程序分析产品零部件的应力变形状况，然后对优化部件结构的数字化描述，已经发展到数字模型的系统仿真阶段。虽然CAE并不能完全替代原型试验，但作为降低产品开发成本、缩短产品开发周期的技术措施给企业造成非常大的影响。随着技术手段的发展和变革，借助模拟仿真技术，已可在短时间内完成一个紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。同样通过软件重现世贸大楼倒塌全过程，找到大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。同样可以通过分子动力学模拟，发现直径大于3.5纳米的单壁碳纳米管一端被压扁后，塌陷部分会沿纵向扩展至整个碳纳米管。从能量的变化轨迹中发现纳米管在逐渐变扁的过程中，储藏在其中的势能部分转化为动能。“如果能控制好热环境，碳纳米管的能量转换甚至可能永动。”    工程分析技术和能力的发展是工程研究领域面临的巨大挑战，SBES的内涵远超过传统的物理现象的模拟，它需要发展新的方法、设备、程序、流程和战略规划，将模拟提升到一个可以解决过去无法处理的问题的功能强大的新水平，并可能诱发一系列新技术的出现和新的重要科学发现。1.1.2 数值仿真技术应是国家优先发展的项目    2006年，美国国家科学基金会发表蓝带报告书基于仿真的工程与科学(SBES)，明确指出：“计算机建模和仿真是工程和科学取得进步的关键因素。”；“SBES采用模拟和计算机仿真的原理和方法以获取和应用知识并造福人类，应成为工程与科学领域国家优先发展项目”。    我国CAE软件的形成和应用从70年代即已开始，起步早且有一定规模，效果和市场反映都不错。自主开发CAE软件的努力从来没有停止过，也有一些拥有自主知识产权的软件系统脱颖而出：如JIGFEX、HAJIF、紫瑞、飞箭。但由于多方面的因素，特别是受国外软件的打压，至今无一形成产业，仍处于分散经营，苦苦支撑的格局。艰难的发展历程，却从侧面反映了我国科技工作者不屈不挠的民族精神和卓越的聪明才智。      虽然屡战屡败，但每次挫折都带来新的认识和积累。屡败屡战的经历提高了锲而不舍的战斗精神。虽然在工业装备和国防工业方面，绝大部分仍为进口CAE软件所控制，但国内软件却因能解决被“禁运”、“技术封锁”的关键课题，能啃下硬骨头，而顽强地生存下来。被“禁运”，所以尤其要奋起。我国科技工作者长期重视工程力学的发展、仿真模拟技术的应用，取得了不菲的成就，也赢得了一席之地。在高度重视数值模拟分析技术应用的同时，也多次尝试构建CAE软件产业的可行性努力。因为该项技术“已经成为科学研究、技术开发和工程设计的重要基石，特别是某些国防科技和前沿科学研究领域唯一可行的试验手段，成为大量尖端科技领域和重大工程实施中必不可少的核心支撑技术”，“现在计算机发展迅速，计算力学产生了CAE产业并成为新领域“计算科学”的核心。数值模拟分析技术在发达国家已经达到了较普及和实用的阶段。因而2005年以来美国总统信息技术咨询委员会和国家基金会不断从战略高度将计算科学认定为是“国家经济竞争力和安全的关键”，“美国政府还没有充分认识到计算科学的潜力”。同时提出“短期资助和局部的战略计划将导致我们过多地集中在逐步增加的研究上，而忽略了那些具有深远意义的大范围可持续性研究。”    作为对产业的扶植和培育，可借鉴的是20多年来，美国就从战略需求先后执行了三次计算科学大计划，巩固了其军事地位，并带动了基础科学、应用科学和工程设计的跃升。同样，发展事关国家竞争力和国家安全战略的CAE软件产业，只有发挥社会主义举国体制优势，才能形成与国外的垄断相抗衡的实力，推动自主CAE软件产业又好又快地发展。 1.2 学术成果转化 推动前沿科学研究领域的工程应用（应用）    从二十世纪六十年代我国自主奠定了CAE软件系统核心技术（有限元方法）的数学基础以来，CAE技术的产生和发展就伴随着工程应用和研究的分析计算需求而成熟和壮大的。CAE软件集成系统从功能上是汇集多学科研究成果向工程实用转化的基础性运行平台，从性能上是面向工程研究进行数值仿真分析的支撑性应用工具。1.2.1 由重大工程研究项目需求推动的技术进步    推动CAE技术发展的有三股重要力量：科研院所以理论体系和基本算法为特长，注重技术运用；软件厂商以市场营销和系统集成为主导，重视需求和反馈；企业集团以应用验证和实际效益为目标，追求工程受益。三者相互依存，将各自的特长以适应和满足工程研究发展需要的方式得以壮大。正是具有重大项目背景的实际工程需求，加速了数值模拟算法研究和支持技术的推陈出新，并以软件系统的形式实现了科研成果向工程实用的市场化转移，通过实践的应用效果作为成果验证，再促进集成系统的不断完善和成型。    近三十多年来，发达国家技术封锁为我国CAE软件预留了发展空间，所开发和运用的核能、武器装备、复杂流动、水下爆炸等领域的专业CAE软件，为国内结构数值模拟与程序开发方面也积累了一些经验和成绩。这些技术已经在大飞机、运载火箭、探月卫星、高速列车、船舶制造、重型机械、风能、汽车等多项领域发挥着重要的作用。以上海九大高新产业建设为例，可以看到自主CAE技术的作用和迫切性：    新能源：风力发电装置最关键、最核心的部分是转子叶片，叶片的设计和采用的材料决定风力发电装置的性能和功率；风力发电的设备被架在一根细长柱子上，顶部所承受的重量影响了设备的可靠性和安全性；受海风和海浪袭击的近海如何找到塔和塔固定承受能力的最佳方案。在风力发电的产业化过程中，已经在利用CAE技术进行研究：转子叶片的空气动力学：人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机，航空技术的发展推动了流体力学的迅速发展，利用CAE技术对叶片的失速和偏航流动进行模拟仿真可以了解其有效的特性作用；风力发电机尺寸的增长：兆瓦级风力机的结构和材料与千瓦级的风力机有很大的不同，CAE技术帮助人们进行结构强度计算、变形计算及优化设计，减少进行设计/试制/返工的循环次数；气动弹性稳定性：叶片的摆振在大叶片中已经引起过大问题。随着风力发电机尺寸的不断增大,其气动弹性不稳定性也变得越来越重要。需要考虑在叶片气动弹性效应的前提下，克服颤振抖振耦合分析中传统方法难以逾越的计算困难，利用随机振动虚拟激励算法实现三维叶片结构设计颤振抖振耦合分析。    民用航空制造业：为保证中国研制的民用大型飞机具有国际竞争力，并达到适航标准，首先要突破10项关键技术：民用大型飞机总体设计技术、现代民用飞机的气动特性预测方法、民用大型飞机的噪声预测和减噪措施、民用大型飞机载荷确定技术、高效结构和强度设计技术、长寿命高可靠性结构设计技术、民用大型飞机防雷设计和抗高强度辐射设计、多轮起落架设计技术、先进复合材料结构设计技术和适航审定的特殊要求的鉴定技术。我国大飞机的十大关键技术都要用到CAE技术，目标是研制出大结构，强度、刚度、稳定性都能符合完整性要求。中国大型客机发动机项目主体中航商用飞机发动机有限责任公司落户在上海，研制大飞机发动机的巨大困难和风险有多大，尹泽勇是我国率先使用“有限元”设计技术的航空发动机专家，他的工作涉及大量工程分析。谈到我国航空发动机研发的瓶颈，他认为软件因素至少占到一半。在高新科技和涉及国防的领域，最先进的“软装备”由国外公司保密开发使用，不可能买到。“这些东西没有，你怎么能设计出好的飞机发动机呢？”。先进重大装备：上海超级计算中心在2005年就承担了先进重大装备建设中的核电、火电、特高压输变电、轨道交通装备、自动控制系统等先进制造业的大量CAE技术任务：在核电工程方面，上海核工程研究院承担的国产100万千瓦压水堆核电站前期设计及国内多个核电站的设计任务，在核反应堆堆芯热工水力分析，核反应堆保护和控制分析，核反应堆主冷系统流固耦合分析，核级设备应力分析与抗震力学分析等方面需要大规模的计算；在船舶制造方面，上海年造船能力将从150万吨提高到1200万吨，在自主设计能力方面也必须有大力的提升，高性能计算是必然的选择手段。经济参考报2005年04月08日刊登的文章“设计落后拖中国造船业后腿，水平与日本相差15年”指出，计算手段落后是我国船舶设计水平与国外有巨大差距的一个重要原因；在汽车制造方面，上汽集团汽车工程研究院承担的具有自主知识产权的汽车设计、泛亚汽车和大众汽车向整车研发的大步推进带来的巨大的汽车设计任务。在汽车设计中整车碰撞仿真，虚拟制造（三维虚拟装配、冲压仿真等），整车空气动力学设计，虚拟试车场等需要高性能计算作为支撑条件。    正是伴随着重大工程研究的项目需求，CAE技术和应用才得以如此迅猛地发展和提高。在航天领域，国家已启动中国新一代无毒、无污染运载火箭的研制工作，该火箭研制成功后将全面进入全球商用运载市场的竞争。上海航天局将承担部分总体和分系统研制工作。航天工业是高性能计算应用开展最早、应用最广泛的工业领域，有大量的问题，例如高超音速飞行器外形空气动力学设计和分析、飞行器气动热、结构耦合分析、不同载荷条件下推进剂行为模拟、火箭电磁兼容性分析等都需要大规模的计算和仿真。航天工业是中国大力发展的高新技术产业,它的发展将直接带动相关产业。航天工业尤为显证：中国载人航天的发展，与CAE技术快速发展所提供的推动力是密不可分的。CAE技术必将伴随载人航天工程研制走向更为广阔的明天。1.2.2 生产性服务和工程研究相结合的高端应用工具    成功的商业CAE软件都具有一个共同的特点，即依托重大工程项目，由科研院校研发，在基金会及政府的支持下取得市场认可，不断开拓商业市场并以资本运作的方式扩大应用领域并壮大实力：MSC.NASTRAN以NASA资助为背景，在研发了航空航天强度刚度及模态分析软件的基础上，通过开发及多次并购，已经成为虚拟产品设计、面向工程多学科仿真产品的综合供应商；ANSYS依托西屋宇航核实验室结构设计的经历，逐步发展图形建模技术及图形界面，通过兼并和资本市场运作使其成为“高成长特征”的工程仿真软件供应商。    由于CAD/CAM软件帮助企业减轻了产品设计制造压力而普遍被人们所接受，然而涉及到大量的数学和力学问题而被人称为“只有博士才能用好的软件”的CAE，在某些传统制造行业却常处于可有可无的“锦上添花”地位。随着市场竞争愈加激烈，由于其可以缩短产品的开发时间、减少产品制造成本的功能而愈加受到重视。当前以装备制造业为主体的先进制造业正在提速发展，运用生产性服务业对传统服务业进行改造和提升，推动制造业的价值链向“微笑曲线”两头攀升，是从制造大国向制造强国迈进的关键一环。    以往由科研院校提供算法成果和支持手段，结合工程项目研究的实际需求开展解决方案的制定取得了许多“短平快”的实效。随着计算机技术、近代力学理论和工程研究需求的迅速发展和多学科融合，CAE已经成为一门由工程需求而广泛使用的技术，同时也成为了一项随成果转化而引领行业发展的应用。正是由技术驱动和应用驱动并驾齐驱、紧密结合的信息化发展历程，使得CAE逐渐从辅助设计的验证工具，转变成指导设计的创新基础。1.3 聚焦工程研究 完成生产方式转化过程的执行程序(程序)    科技创新的核心就是要促进科技成果向现实生产力转化。面对工程研究的需求，科研院校所掌握的技术需要经过实际使用和工程效益才能体现出价值，CAE技术需要利用编制程序才能实现科技成果转化的第一步。单个程序作为软件产品的一部分，经过需求分析、解决方法、程序编制和效益评测等一系列针对需求的研发，其本身也完成了软件项目的初步实现。1.3.1 实现科研成果解决重大工程的实用意义和理论价值    在国民经济急需的工业装备和国防工业众多领域，具有自主知识产权的先进技术在被“禁运”、“技术封锁”的严酷现实面前，以其炼就自主领先技术“金刚钻”的能力,揽下国民经济急需“瓷器活”的行动，在担当起民族振兴责任的同时也开拓了自身的生存空间。    以具有自主知识产权的CAE技术和软件推广为例。这些具有自主科技成果的转化大致经历了以下过程：    专业技术水平评判：专业先进技术是行业中具有国内自主知识产权的拥有者;    市场需求公开评估：技术经过类似研讨会或交流会后，确认在行业中具有领先水平;    企业反馈审核机制：直接交流后应确认技术应用后可以帮助和提高企业的技术水准;    成果转化考评模式：以宣传科技成果转化所取得经济和科技实效来帮助技术推广；    正是与其相应的同期开展的工作也循序渐进，取得了理论研究成果和用户单位的认可：    “基于精细积分（最优）控制系统程序库”报告在“第二届上海国际航空航天技术与设备展览会”航空航天电子论坛得到了行业广泛关注，反响热烈；    “椭圆轨道卫星编队重构的均衡耗能最优控制方法”在 “航空航天中力学与控制的挑战和机遇”研讨会上现场引起了与会代表的兴趣和重视，有单位表达了合作意向；    “高精度控制系统设计与仿真研究技术”学术报告会在合作单位举行，来自大连理工大学的技术人员就基于精细积分的最优控制系统程序库及其应用作了详细讲解。    具有自主知识产权的应用软件技术学术交流和科技项目的验收会由中国工程院孟执中院士主持。实际工程效果得到“在更短的控制时间内，以更少的燃料消耗，达到更高的终端控制精度。”的认可；    以“发展CAE软件产业的战略对策”为主题的339次香山科学会议在北京举行。航天工程的专家学者对该课题研究成果表示了浓厚兴趣与关注；    上海市科协领导在宇航学会的工作研讨会上就课题“编队飞行控制技术”专题听取汇报后表示：要创造条件，促进进入工程阶段，最终转化为社会经济效益。      在我国现有的众多科技成果中，不乏有可圈可点的值得细心呵护和培育的具有原创性知识成果。以基于精细积分的（最优）控制系统为例。该算法体系以最优控制和结构力学的模拟关系为基础，通过研究最优控制所导出的哈密顿系统边值问题，提出了对偶变量区段混合能的概念，进而将结构力学中基于变分原理的系统离散和计算方法用于最优控制问题中矩阵Riccati微分方程和代数等的求解。基于“程序库”提供的设计功能，结合具体的课题，可进行多方面应用领域控制软件的研发：    1）飞机的自动驾驶控制问题。飞机在起飞/降落阶段的控制、在紧急情况下的机动飞行控制，巡航高度、速度的调整等，实质上都是在很短时间（或有限时间段）内将飞机的飞行状态（例如飞行速度，俯仰角，偏航角）从一个状态调整到另一个状态，这些控制性能要求，依靠传统工具箱的定常控制器设计难以实现，必须从时变控制器的设计出发进行设计，而且还要寻求节省燃料、控制输入峰值小的控制方案。    2）导弹的拦截与精确打击问题。使用时变控制器可以只需定常控制器约一半的时间达到系统期望状态，这对于精确制导有着重要意义。    3）机器臂的移动控制。机器臂的移动控制有着多方面的应用，对于要求移动速度快，终端定位精确的控制要求，需要精确的算法保证。    4）分布式空间飞行器系统的控制问题，其基本特点是通过控制多个小卫星的有序排列和协同工作来完成单个大卫星的工作，单个大卫星的质量和体积是有上限的，但是由多个小卫星天线构成的虚拟大型天线理论上讲是没有上限的，且其分辨率将远远超过现有的和即将发射的单个巨型太空望远镜，并具有成本低，可靠性高等特点。在这类分布式系统控制问题中，分散控制，高精度的最优控制和鲁棒控制方案是其出发点，设计最小能量，最短时间等控制系统。我国有许多具有领先水平的科研成果在工程实践中得到应用，其自身学术价值和工程效果在推广中得到了肯定。由于因工程需要所编制的程序只是体现科研学术成果，以工具的形式给工程建设提供服务，尚不具备软件的完备性和商品化，后续发展仍有更多的工作要做。    参数化结构形状优化煤及半煤岩巷道掘进：在考虑等价静力工况作用下结构的优化设计过程中，本次的两个优化模型给定的约束条件为紧约束，即保证结构初始设计的刚度和强度的前提下，约束条件取值与初始有限元分析结果相近，因此结构优化效果不明显，结构重量下降仅为初始重量的2.23%和3.25%。如放松约束，则优化效果将更显著。    随机振动虚拟激励（东海大桥抗震性能的功率谱分析；在大型造船门式起重机金属结构设计中的应用）：采用虚拟激励法进行了东海大桥随机地震响应功率谱分析，考虑了一致地面运动、行波效应和部分相干效应，结果表明进行抗震分析不但使桥梁设计更为安全可靠，而且简便易行。随机振动虚拟激励法为桥梁工程的抗震分析提供了有力的数值分析工具，特别是在大中跨度桥梁抗震工程中有广泛的应用前景；随着CAE技术的日渐成熟，中船第九设计研究院将该技术运用于大型造船门式起重机金属结构的设计，并取得了丰硕的成果，在此基础上正准备对起重机金属结构的进一步优化、驾驶室的人性化设计等课题进行探索。    参数二次规划法(采煤机牵引行走机构的接触应力分析；轮对与道岔接触问题的有限元分析)：以采煤机牵引行走机构为分析对象，应用参变量变分原理及基于此原理的有限元参数二次规划法来求解弹性接触问题，分析了行走齿轮和销轨的有限元建模、网格划分以及受力状态的问题，对外载荷条件与计算接触应力变化进行规律性分析；建立轮对与辙叉、护轨、基本轨的多体接触有限元计算模型,分析不同工况下轮对和道岔接触斑形状、内部应力以及接触力的分布和变化规律。结果表明,由于车轮踏面与辙叉的型面不配合,轮对与辙叉形成两点接触,且接触斑狭长,靠近轮缘处踏面和辙叉接触斑的应力及接触力非常大,其数值远远超过材料的屈服极限,进入塑性变形阶段,这将导致车轮踏面与辙叉的磨耗严重。这一研究方法和计算结果将为道岔的合理设计以及轮对和道岔型面更好配合提供了理论依据。    多体系统分析应用厚煤层快速掘进关键技术中的探讨研究：多体系统是指有大范围相对运动的多个物体构成的系统,它是航空航天器、机器人、车辆、兵器与机构等复杂机械系统的力学模型。该项技术是多刚体动力学、连续介质力学、结构动力学、计算力学、现代控制理论等构成的一门交叉性、边缘性学科。柔性多体系统动力学已成为理论和应用力学的一个极其活跃的领域。结合大功率采煤机的摇臂和行走齿轮的强度分析等问题进行了直接的交流和探讨研究。    质子交换膜自动浸胶系统楔形双极板圆桶形燃料电池改进设想的探讨研究：燃料电池的基本工作原理是直接将氢和氧转化为电力，无污染无噪声，是全世界最受关注和青睐的能源之一。从宏观尺度上研究燃料电池结构材料、结构设计、制造与装配中的工艺力学问题，从微观尺度上研究扩散层多孔材料在多物理场耦合作用下两相流动问题，从而对燃料电池扩散层材料和整体结构进行优化设计。    聚焦国家发展需求，自主科研成果通过解决实际工程中提出的关键技术，取得了有重要理论价值和工程实用意义的研究成果。项目可以告一段落，但成果如何可持续发展成为满足市场需求的商品。在这里，许多有共性的问题就显现出来了。当自主科研成果已经表现出明显的社会与经济效益时，也就是处于在最宝贵的黄金时期，如何抓住机会。当然希望抓紧时间去整合资源，全力投入到为用户提供成熟的产品和服务中，保持其所具有的领先竞争能力。然而这仅靠项目组的努力，单枪匹马根本无法胜任。外面的诱惑依然存在，已经有许多这类的事情发生过，30年后的今天不应该再延续过去的“循环”发生了。1.3.2 以国家战略的视角去思考知识资源的拓展和集聚      就目前而言，我国CAE技术领域所取得的自主创新科研成果与现有所占的市场份额是背离的，因为这类技术领域的软件商品几乎完全依赖于国外的进口。促进自主创新科研成果的产业化，将现有的应用程序成为具有市场化的商品，要求进行有规模性的整合，这是建设自主CAE软件产业的基本条件，但我们还不具备。    在国内，基本每一个工科院校在教学CAE技术的同时会自行开发些应用程序；大型企业和重大工程项目根据自身特点和应用需求开发本行业所需的CAE程序。数量众多，涉域宽广，小巧实用，其实在这些能力和需求的基础上本来可以做得很好，但当时散乱的局面严重阻碍了CAE软件产业的集聚和发展。    资源整合是一种市场行为，关系到各参与方的利益，因此完善的市场环境、以及观念上的差异都是以往“联合开发”过程中难以解决的“瓶颈”。任何事情都是在发展的，人们的认识和观念已经有了很大的提高，参与方之间的整合，实际上是一种资源重组和优势互补。改革开放30年来，在新的历史条件下，人们对于建立自主CAE软件产业的认识有了更深切的紧迫感和使命感，已经引起了高度重视和极大兴趣：    2004年，严隽琪等提出了“建设有自主知识产权的CAE平台，应是一件十分有意义的事” 设想。在已经拥有国内第一个面向社会开放，资源共享的高性能计算公共服务平台，配备丰富的科学和工程计算软件，致力于为国家科技进步和企业创新提供高端计算服务的上海超级计算中心，寻求对产业结构调整的探索，尝试以服务创新和整合创新的方式，谋求突破自主发展CAE软件产业的“瓶颈”；    2005年，中国科学院学部立项咨询评议发展国产CAE系统.提高装备制造业的自主创新能力，力图通过对国内外CAE软件发展与应用水平进行调研,为建立国家级自主CAE软件产业提供咨询;      2006年中国科学院技术科学部、信息技术科学部在上海召开 “CAE自主创新发展战略” 论坛，围绕产业