国产结构分析软件的伟大实践与苦难辉煌

引言

长期实践表明，一个工业强国要研制重大装备，就必须要有自主的CAE软件做支撑。现代工业装备的复杂性和成本不断增加，只有更好的性能、更低的成本和更快的研发效率，才能在激烈的竞争中保持优势地位，其成功的核心就是CAE软件，而目前国内使用的绝大部分CAE软件却是从欧美国家进口。以我国国防和工业部门最常使用的结构分析软件为例，目前进口率超过90%，受制于人的形势非常严峻。

国内年轻的科技工作者可能很难理解，为什么一批年过半百的专家学者一直在为国产CAE软件奋笔疾书、摇旗呐喊。事实上，国产结构分析软件的发展经历过辉煌，也承受过苦难，有过丰富的工程实践，也有过艰难的生存挣扎，曾经与国际先进水平已无限接近，但最终却悄无声息。在国产CAE软件发展较为辉煌的阶段，计算力学界大师级人物纷纷投身其中，各大型军工单位也专门设立软件室来编制仿真软件，计算力学专业成为当时最热门的力学分支之一。

回顾国产结构分析软件的发展历程，大致可分为辉煌起步（1970S-1990S）、遏制冲击（1990S-2000S）、依赖放弃（2000S-2018）、觉醒突围（2018至今）四个阶段。

国产结构分析软件发展的四个阶段

1、辉煌起步（1970S-1990S）

相比于如今国产结构分析软件在功能与性能上同国外商软的巨大差距，我国结构分析软件的起步只是稍晚于国外。上个世纪70年代，国内军工单位、科研院所和高校科研人员在硬件条件和科研经费极为困难的条件下，用手摇计算机和纸带数据录入，克服了缺人、缺钱、缺资料和缺计算资源的困难，经过不懈努力和艰苦攻关，成功研发了HAJIF、JIGFEX、“紫瑞”、“飞箭”、SAP84等系列自主结构分析软件，解决了多个工程领域的结构分析与设计难题，并获得了多项国家级科技进步奖项，可谓起步辉煌。

HAJIF软件

1976～1979年，以航空工业部牵头、在著名计算力学专家冯钟越的带领下，成功开发了航空结构线性分析有限元程序系统HAJIF-I，这是我国航空领域第一个大型结构静力分析系统，从求解大型复杂结构的规模和效率来看，都达到了同期国外结构分析软件的水平。HAJIF-I在两年内应用到了四种当时在研的飞机型号上，实现了飞机部件与整机结构的变形与应力分析。其后，中国飞机强度研究所又相继研发了HAJIF-II、YIDOYU、HAJIF-Ⅲ、VEP、COMPASS、HAJIF（X）等系列结构分析与优化软件，并六次获得国家科技进步奖。

图1：HAJIF-Ⅲ研发人员合影

JIGFEX软件

1981年，大连理工大学在钱令希院士、钟万勰院士的带领下成功研制了通用有限元分析与优化设计软件JIGFEX，将有限元分析同优化设计合二为一，改变了当时结构分析软件只能仿真分析而不能优化设计的观念，并应用到气垫船、重庆长江大桥等工程结构的分析与设计中。

图2：钱令希与JIGFEX程序开发人员合影

FEPG软件

1983年，中科院数学所的梁国平教授开始研究有限元程序自动生成系统FEPG，用户只需输入有限元方法所需的各种表达式和公式，即可由FEPG自动生成全部有限元计算的源程序。由于FEPG具有良好的开放性和兼容性，可以广泛应用于多个工业领域，后发展成为“飞箭”公司。

图3：梁国平教授参加FEPG产品推介

SAP84软件

1984年，在美国结构分析软件SAP软件源码的基础上，北京大学力学系袁明武教授主持开发了SAP84。经过大量的自主创新和升级改造，SAP84的功能已远远超过了当时的SAP，并应用到了长江三峡大坝的初步设计、黄河小浪底枢纽工程抗震分析等重大工程中。

图4：袁明武教授讲述开发SAP84的情景

除此之外，这一时期国内还诞生了一大批结构分析软件，如郑州机械研究所研制的“紫瑞CAE”、吉林大学胡平教授团队开发的KMAS软件等。

总体来说，这一时期国内的结构分析软件呈现出百花齐放的格局，众多军工单位、科研院所和高校的研究人员投身其中，研发出了一系列与国外同类产品相比毫不逊色的国产结构分析软件，且结合当时国内的工业条件和工业需求，解决了大量的工程问题。

2、遏制冲击（1990S-2000S）

上世纪90年代以来，国外商业CAE软件进入了稳定的商业化运作阶段，大批国外软件涌入国内，采用灵活的市场战略和免费、盗版等推广策略逐步占领了国内市场，遍及国内的各个行业。由于国外商软良好的通用性和友善的用户体验性，很快便占领国内CAE市场，较为“原始”的国产结构分析软件逐渐被市场抛弃。

同时，这一时期正值国产结构分析软件研发团队新老交替，由于缺乏商业化运作，在国家层面失去了持续的经费支持，软件的维护后继乏人，软件版本的升级发展更是举步维艰。内忧外患导致国产结构分析软件发展步伐相对缓慢，逐渐拉开了与国外商业软件的差距。

为了遏制国外商软的冲击，国产软件转而以工程专用为主，融入国内研制规范和工程数据，其在计算能力和功能上与通用软件相比有显著优势，并在一定范围内成功应用于装备研制。如中国飞机强度研究所开发的飞机着陆和滑跑载荷优化设计系统ALTLAS、飞机结构三维温度场分析软件ASTSA等专用软件，为多个型号的成功研制提供了技术支撑。

图5：飞机起落架专用软件ALTLAS

3、依赖放弃（2000S-2018）

进入21世纪，经过多年的商业化运作，国外商用CAE软件占领了国内绝大部分市场，涉及到各个行业领域。凭借其技术能力和用户数量上的垄断性地位，国外商软采购成本逐年增加，一个软件授权少则几万元，多则几百万元，而工业装备的研制需要的CAE软件繁多，其总的采购费用可想而知。

这个阶段也正是国产结构分析软件的至暗时代，国家没有专门投资渠道，市场上也没有足够回报，单纯依赖软件很难养活整个研发团队，人才流失非常严重，很多软件研发团队缺乏经费支持，依靠自身力量难免单薄，不得不放弃自主研发。在这个阶段能够坚持进行系统级软件研发的团队屈指可数，仅有个别团队或借助国家课题研究，或通过提供技术服务在苦苦支撑。

4、觉醒突围（2018至今）

自中美贸易战爆发以来，对核心关键高端工业软件的控制已经成为以美国为首的西方国家遏制我国发展的重要战略手段之一，工业软件是工业建设各要素中最薄弱的领域，已成为工业建设的最大“短板”。结构分析软件作为核心技术产品，也逐步被列为制裁清单，2019年5月，美国商务部将ANSYS软件列入禁售名单，而NASTRAN / ANSYS / ABAQUS三款主流结构分析软件的研发主体均位于美国本土，发展国产结构分析软件已非常紧迫。

这个阶段，国内科研院所和高校开始重新开发或升级原有的结构分析软件系统，如中国飞机强度研究所推出了HAJIF软件的新版本，大连理工大学推出了SiPESC软件新版本，元计算公司推出了FELAC软件新版本等。

图6：HAJIF软件六大模块

与此同时，国内陆续出现了一批商业化的软件公司，开始研发和推广各具特色的结构分析软件，如上海索辰公司推出的Virgo、大连因特仿真公司推出的INTESIM、重庆励颐拓公司推出的LiToSim、上海数巧公司推出的云CAE软件Simright、青岛数智船海公司推出的FastCAE、北京云道智造公司推出的Simdroid等，不断为国内工业软件注入新的活力。

结束语

回首看走过的路，国产结构分析软件研发历经艰辛，也曾经辉煌，一批批科技人员数十年如一日坚守在国产软件这片土地，积累了丰富的研发经验，传承了专业的知识，锻炼了人才与队伍。

虽然国产结构分析软件目前面临的现实不容乐观，国产结构分析软件发展的道路道阻且长，国产结构分析软件与国际先进水平之间存在较大差距，但随着国家对国产工业软件的重视，一批计算力学专家及有志之士对国产结构分析软件全心投入，各个国产软件研发团队的研发热情也与日高涨，国产结构分析软件未来一定会走出低迷，走向新的辉煌！