錢學(xué)森先生曾講過著名的一句話：“今日的力學(xué)要充分利用計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)去回答一切宏觀的實(shí)際科學(xué)技術(shù)問題，計(jì)算方法非常重要。”作為力學(xué)的典型應(yīng)用，國(guó)內(nèi)多個(gè)科研院所通過研究課題或科研項(xiàng)目的形式開展了結(jié)構(gòu)分析軟件的研發(fā)工作，誕生了一批各具特色的結(jié)構(gòu)分析軟件。

本文將介紹三個(gè)源于科研院所的典型結(jié)構(gòu)分析軟件系統(tǒng)，剖析其成長(zhǎng)過程與發(fā)展現(xiàn)狀，從而進(jìn)一步思考如何更好地研制我國(guó)自主的具有世界先進(jìn)水平結(jié)構(gòu)分析軟件系統(tǒng)。

中科院數(shù)學(xué)所——FEPG

我們所熟知的通用結(jié)構(gòu)分析軟件，如國(guó)外的ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、國(guó)產(chǎn)的HAJIF等系統(tǒng)，都是利用較為成熟、通用的求解算法解決常見工程結(jié)構(gòu)分析問題的通用軟件，雖然這些軟件已經(jīng)可以覆蓋大部分結(jié)構(gòu)分析問題的求解，但是隨著用戶群體的不斷擴(kuò)大，對(duì)一些特殊領(lǐng)域中的特殊需求可能無法滿足。同時(shí)，由于通用軟件的體系龐大、源代碼不公開，且大多數(shù)工程師、教授與科研人員主要從事于有限元方法理論或應(yīng)用的研究，缺乏有限元程序開發(fā)的能力，導(dǎo)致很多新的研究方法或理論無法及時(shí)更新到結(jié)構(gòu)分析軟件中。

圖1 梁國(guó)平教授

基于上述原因，1983年梁國(guó)平教授于中科院數(shù)學(xué)所開始研發(fā)有限元程序自動(dòng)生成系統(tǒng)FEPG（Finite Element Program Generator），系統(tǒng)于1990年研發(fā)成功，并在1995年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。用戶可根據(jù)有限元方法統(tǒng)一的數(shù)學(xué)原理及其內(nèi)在規(guī)律，在輸入有限元方法所需的微分方程表達(dá)式和算法表達(dá)式后，即可由FEPG自動(dòng)產(chǎn)生全部有限元計(jì)算所需的源程序，包括單元子程序，算法程序等。FEPG的研發(fā)較好地滿足了一部分研究人員希望有自己的有限元程序、卻不擅于編程的問題，免去了大量繁瑣的有限元編程勞動(dòng)，保證了程序的統(tǒng)一性和正確性。

圖2 FEPG軟件架構(gòu)

2004年，F(xiàn)EPG推出了并行版本pFEPG。采用有限元語(yǔ)言作為書寫代碼，融合了公式庫(kù)技術(shù)、組件化技術(shù)和自動(dòng)生成技術(shù)，使用戶非常自然和簡(jiǎn)單地根據(jù)微分方程表達(dá)式和算法表達(dá)式來自動(dòng)的產(chǎn)生可用于并行計(jì)算的有限元程序。

FEPG系統(tǒng)采用組件化的設(shè)計(jì)方法和程序結(jié)構(gòu)，新的功能模塊以組件的形式定義和添加，核心系統(tǒng)的健壯性和獨(dú)立性不受任何影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰。除了平臺(tái)本身的開放性以外，用戶可以獲得任何應(yīng)用的FORTRAN源代碼，從而降低了軟件部署的復(fù)雜度，提高了用戶的參與度。與國(guó)內(nèi)外主流通用有限元軟件相比，利用FEPG進(jìn)行開發(fā)還具有程序代碼精煉以及投資少等優(yōu)點(diǎn)，但存在界面不夠友好、對(duì)用戶的起點(diǎn)要求較高等缺點(diǎn)。

FEPG系統(tǒng)已應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造、能源等領(lǐng)域，并在高校進(jìn)行了有限元教學(xué)的推廣。同時(shí)梁國(guó)平教授在CAE軟件的商業(yè)化方面也進(jìn)行了積極有益的探索。1999年，在北京創(chuàng)立了飛箭軟件有限公司；2009年，落戶天津中新生態(tài)城，成立元計(jì)算科技發(fā)展有限公司，基于FEPG系統(tǒng)研發(fā)了壓力容器分析等專用軟件。

圖3 壓力容器分析軟件

中國(guó)工程物理研究院——PANDA

當(dāng)今西方先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家將高性能工程計(jì)算提升到了事關(guān)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的高度，投入了大量科研經(jīng)費(fèi)和人員，研發(fā)了系列大規(guī)模高性能并行計(jì)算軟件框架，形成了具備數(shù)千萬(wàn)至數(shù)十億自由度計(jì)算規(guī)模、數(shù)千上萬(wàn)以上CPU核的高性能數(shù)值模擬能力。特別在一些關(guān)鍵領(lǐng)域，提出“基于實(shí)驗(yàn)的武器研制轉(zhuǎn)向基于數(shù)值模擬為主”的戰(zhàn)略發(fā)展方向，在并行計(jì)算機(jī)上開展武器系統(tǒng)從庫(kù)存到靶目標(biāo)的多尺度、多物理場(chǎng)的數(shù)值模擬，包括發(fā)射動(dòng)力學(xué)、爆炸分離響應(yīng)、再入過程的振動(dòng)問題等。而我國(guó)雖然在超算硬件上達(dá)到了世界前列，但是在自主結(jié)構(gòu)分析的大規(guī)模并行方面還有很大的差距。

圖4 神威超算

為提升專門應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)值模擬能力，中國(guó)工程物理研究院從2007年開始啟動(dòng)專項(xiàng)研究工作，旨在為工程力學(xué)數(shù)值模擬中涉及的精細(xì)物理建模問題、大型多功能應(yīng)用軟件高效率協(xié)作開發(fā)及復(fù)雜多尺度、多物理場(chǎng)耦合分析等問題提供集成開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境。主要研究?jī)?nèi)容包括基礎(chǔ)開發(fā)框架PANDA和應(yīng)用集成平臺(tái)。PANDA由一些面向?qū)ο蟮幕痉?wù)組件組成，為并行計(jì)算有限元應(yīng)用軟件的開發(fā)提供具有共性的通用基礎(chǔ)性支撐。應(yīng)用集成平臺(tái)由一些具體的應(yīng)用集成模塊和計(jì)算應(yīng)用軟件組成，為復(fù)雜工程力學(xué)問題的數(shù)值模擬提供集成化的應(yīng)用支撐環(huán)境。借助PANDA框架所提供的基本網(wǎng)格、場(chǎng)等底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)服務(wù)組件以及應(yīng)用參數(shù)解析、數(shù)據(jù)輸入輸出和求解器等基本工具組件，已開發(fā)出若干個(gè)基于框架的有限元應(yīng)用計(jì)算程序，具備結(jié)構(gòu)靜力、傳熱、模態(tài)、振動(dòng)和沖擊分析能力。PANDA具備了上萬(wàn)核、數(shù)十億自由度應(yīng)用程序開發(fā)所需的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、并行通信、通用解法器包等計(jì)算機(jī)共性層、數(shù)值計(jì)算共性層支撐環(huán)境能力。

從公開的文獻(xiàn)來看，PANDA靜力學(xué)程序具備了求解三維實(shí)體線彈性和雙線性彈塑性并行求解的能力；PANDA模態(tài)分析程序具備了求解三維實(shí)體線彈性模態(tài)分析并行求解的能力；PANDA沖擊動(dòng)力學(xué)分析程序具備了短時(shí)沖擊動(dòng)力學(xué)問題的顯式積分并行求解的能力。

“十二五”期間，中物院成立了高性能數(shù)值模擬軟件中心，將物理建模、數(shù)學(xué)離散與并行計(jì)算三者有效分離，發(fā)揮不同領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)優(yōu)勢(shì)，基于軟件中心研發(fā)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格框架JAUMIN對(duì)PANDA平臺(tái)進(jìn)行了重構(gòu)，使軟件的功能、性能及好用性方面得到了提升。

圖5 基于JAUMIN框架重構(gòu)的PANDA平臺(tái)

PANDA平臺(tái)的靜力振動(dòng)分析、沖擊動(dòng)力學(xué)分析、離散系統(tǒng)分析等功能已在中物院四所、水科院、清華大學(xué)等單位得到推廣應(yīng)用，在武器裝備、大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、土木水利工程、地下工程等復(fù)雜工程的設(shè)計(jì)分析方面起到了重要的作用。

圖6 巨型光機(jī)系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)分析及地震響應(yīng)譜分析

鄭州機(jī)械研究所——紫瑞CAE

上世紀(jì)九十年代，為了解決我國(guó)大量的中小型企業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件的需求問題，面向設(shè)計(jì)人員開發(fā)一款操作簡(jiǎn)單、使用方便、自動(dòng)化程度高的結(jié)構(gòu)分析軟件，鄭州機(jī)械研究所聯(lián)合中科院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究所和北京大學(xué)，通過國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目、國(guó)家科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目支持，開發(fā)出具有自主知識(shí)版權(quán)、與上游三維CAD軟件無縫集成的結(jié)構(gòu)分析軟件產(chǎn)品“紫瑞CAE”，并于2004年獲得機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

圖7 紫瑞CAE軟件界面

紫瑞CAE自動(dòng)化程度較高，用戶使用門檻低。根據(jù)用戶提供的上游CAD軟件（包括SolidWorks公司的SolidWorks系列版本及AutoDesk公司的AutoCAD或MDT，支持IGES、CDAFS、STEP、3Dstudio、ACIS、DWG等格式文件）建立的三維實(shí)體模型，紫瑞CAE可以直接施加體力、面力、線載荷、點(diǎn)載荷、指定位移等邊界條件，進(jìn)行三維有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分，且具有網(wǎng)格局部加密的功能，總體的均勻剖分和局部的加密剖分就可以形成疏密相間、合理過渡的有限元網(wǎng)格。用戶選擇有限元分析類型后，紫瑞CAE便可按照內(nèi)置的流程自動(dòng)完成分析，并調(diào)用后處理結(jié)果分析和設(shè)計(jì)檢查。紫瑞CAE提供八種有限元分析類型，包括線性靜力分析、線性動(dòng)力響應(yīng)分析、自由振動(dòng)分析、線性屈曲分析、非線性靜力分析（材料、幾何非線性）、非線性動(dòng)力響應(yīng)分析、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析及熱應(yīng)力分析。

圖8 紫瑞CAE計(jì)算結(jié)果云圖

紫瑞CAE系統(tǒng)由于操作便捷，用戶門檻低的特點(diǎn)，在機(jī)械、汽車、建筑、橋梁等行業(yè)有一定的工程應(yīng)用，在高等院校有限元分析教學(xué)方面也進(jìn)行了一定的推廣。

結(jié)束語(yǔ)

從國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)分析軟件院所篇介紹的幾個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀來看，我們可以得到以下幾點(diǎn)啟示：

1）科研院所作為我國(guó)的重要的核心科研力量，在“前有進(jìn)口、后有盜版”的大環(huán)境下，通過課題和項(xiàng)目的支持研發(fā)了系列國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)分析軟件，如FEPG的自動(dòng)生成有限元程序、PANDA的大規(guī)模并行計(jì)算、紫瑞CAE的便捷操作等都極具特色，在一定程度上滿足了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)不同用戶群體的使用需求。

2）結(jié)構(gòu)分析軟件的研發(fā)往往需要幾十乃至上百人的高智力的勞動(dòng)和巧妙的設(shè)計(jì)思想，既是一項(xiàng)高難度的科學(xué)研究，也是一項(xiàng)大規(guī)模的工程，其成長(zhǎng)離不開持續(xù)、大量的經(jīng)費(fèi)。目前仍活躍在市場(chǎng)的團(tuán)隊(duì)或者由國(guó)家課題、院所自籌經(jīng)費(fèi)持續(xù)支持，或者轉(zhuǎn)向商業(yè)化公司運(yùn)作，而沒有項(xiàng)目支持的團(tuán)隊(duì)只能“日漸式微”。

3）科研院所往往專業(yè)齊全、科研人員相對(duì)固定，且具有良好的歷史積淀和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于結(jié)構(gòu)分析軟件的初期研發(fā)具有得天獨(dú)厚的先天優(yōu)勢(shì)。但是，在軟件在成功研發(fā)后如何能夠持續(xù)地進(jìn)行產(chǎn)品的升級(jí)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)，逐步趕超國(guó)外軟件，需要后輩人不斷的智慧和勇氣來逐步實(shí)現(xiàn)。