錢學森先生曾講過著名的一句話：“今日的力學要充分利用計算機和現(xiàn)代計算技術去回答一切宏觀的實際科學技術問題，計算方法非常重要。”作為力學的典型應用，國內(nèi)多個科研院所通過研究課題或科研項目的形式開展了結構分析軟件的研發(fā)工作，誕生了一批各具特色的結構分析軟件。

本文將介紹三個源于科研院所的典型結構分析軟件系統(tǒng)，剖析其成長過程與發(fā)展現(xiàn)狀，從而進一步思考如何更好地研制我國自主的具有世界先進水平結構分析軟件系統(tǒng)。

中科院數(shù)學所——FEPG

我們所熟知的通用結構分析軟件，如國外的ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、國產(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構分析問題的通用軟件，雖然這些軟件已經(jīng)可以覆蓋大部分結構分析問題的求解，但是隨著用戶群體的不斷擴大，對一些特殊領域中的特殊需求可能無法滿足。同時，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用的研究，缺乏有限元程序開發(fā)的能力，導致很多新的研究方法或理論無法及時更新到結構分析軟件中。

圖1 梁國平教授

基于上述原因，1983年梁國平教授于中科院數(shù)學所開始研發(fā)有限元程序自動生成系統(tǒng)FEPG（Finite Element Program Generator），系統(tǒng)于1990年研發(fā)成功，并在1995年獲得國家科技進步二等獎。用戶可根據(jù)有限元方法統(tǒng)一的數(shù)學原理及其內(nèi)在規(guī)律，在輸入有限元方法所需的微分方程表達式和算法表達式后，即可由FEPG自動產(chǎn)生全部有限元計算所需的源程序，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，保證了程序的統(tǒng)一性和正確性。

圖2 FEPG軟件架構

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

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

FEPG系統(tǒng)已應用于石油化工、機械制造、能源等領域，并在高校進行了有限元教學的推廣。同時梁國平教授在CAE軟件的商業(yè)化方面也進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

中國工程物理研究院——PANDA

當今西方先進發(fā)達國家將高性能工程計算提升到了事關國家核心競爭力的高度，投入了大量科研經(jīng)費和人員，研發(fā)了系列大規(guī)模高性能并行計算軟件框架，形成了具備數(shù)千萬至數(shù)十億自由度計算規(guī)模、數(shù)千上萬以上CPU核的高性能數(shù)值模擬能力。特別在一些關鍵領域，提出“基于實驗的武器研制轉(zhuǎn)向基于數(shù)值模擬為主”的戰(zhàn)略發(fā)展方向，在并行計算機上開展武器系統(tǒng)從庫存到靶目標的多尺度、多物理場的數(shù)值模擬，包括發(fā)射動力學、爆炸分離響應、再入過程的振動問題等。而我國雖然在超算硬件上達到了世界前列，但是在自主結構分析的大規(guī)模并行方面還有很大的差距。

圖4 神威超算

為提升專門應用領域的數(shù)值模擬能力，中國工程物理研究院從2007年開始啟動專項研究工作，旨在為工程力學數(shù)值模擬中涉及的精細物理建模問題、大型多功能應用軟件高效率協(xié)作開發(fā)及復雜多尺度、多物理場耦合分析等問題提供集成開發(fā)和應用環(huán)境。主要研究內(nèi)容包括基礎開發(fā)框架PANDA和應用集成平臺。PANDA由一些面向?qū)ο蟮幕痉战M件組成，為并行計算有限元應用軟件的開發(fā)提供具有共性的通用基礎性支撐。應用集成平臺由一些具體的應用集成模塊和計算應用軟件組成，為復雜工程力學問題的數(shù)值模擬提供集成化的應用支撐環(huán)境。借助PANDA框架所提供的基本網(wǎng)格、場等底層數(shù)據(jù)結構服務組件以及應用參數(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)出若干個基于框架的有限元應用計算程序，具備結構靜力、傳熱、模態(tài)、振動和沖擊分析能力。PANDA具備了上萬核、數(shù)十億自由度應用程序開發(fā)所需的底層數(shù)據(jù)結構、并行通信、通用解法器包等計算機共性層、數(shù)值計算共性層支撐環(huán)境能力。

從公開的文獻來看，PANDA靜力學程序具備了求解三維實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體線彈性模態(tài)分析并行求解的能力；PANDA沖擊動力學分析程序具備了短時沖擊動力學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)學離散與并行計算三者有效分離，發(fā)揮不同領域?qū)＜业膶I(yè)優(yōu)勢，基于軟件中心研發(fā)的非結構化網(wǎng)格框架JAUMIN對PANDA平臺進行了重構，使軟件的功能、性能及好用性方面得到了提升。

圖5 基于JAUMIN框架重構的PANDA平臺

PANDA平臺的靜力振動分析、沖擊動力學分析、離散系統(tǒng)分析等功能已在中物院四所、水科院、清華大學等單位得到推廣應用，在武器裝備、大型科學實驗裝置、土木水利工程、地下工程等復雜工程的設計分析方面起到了重要的作用。

圖6 巨型光機系統(tǒng)隨機振動分析及地震響應譜分析

鄭州機械研究所——紫瑞CAE

上世紀九十年代，為了解決我國大量的中小型企業(yè)對結構分析軟件的需求問題，面向設計人員開發(fā)一款操作簡單、使用方便、自動化程度高的結構分析軟件，鄭州機械研究所聯(lián)合中科院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究所和北京大學，通過國家“九五”重點科技攻關項目、國家科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目支持，開發(fā)出具有自主知識版權、與上游三維CAD軟件無縫集成的結構分析軟件產(chǎn)品“紫瑞CAE”，并于2004年獲得機械工業(yè)科學技術獎二等獎。

圖7 紫瑞CAE軟件界面

紫瑞CAE自動化程度較高，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）建立的三維實體模型，紫瑞CAE可以直接施加體力、面力、線載荷、點載荷、指定位移等邊界條件，進行三維有限元網(wǎng)格自動剖分，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)置的流程自動完成分析，并調(diào)用后處理結果分析和設計檢查。紫瑞CAE提供八種有限元分析類型，包括線性靜力分析、線性動力響應分析、自由振動分析、線性屈曲分析、非線性靜力分析（材料、幾何非線性）、非線性動力響應分析、穩(wěn)態(tài)溫度場分析及熱應力分析。

圖8 紫瑞CAE計算結果云圖

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

結束語

從國產(chǎn)結構分析軟件院所篇介紹的幾個結構分析軟件系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀來看，我們可以得到以下幾點啟示：

1）科研院所作為我國的重要的核心科研力量，在“前有進口、后有盜版”的大環(huán)境下，通過課題和項目的支持研發(fā)了系列國產(chǎn)結構分析軟件，如FEPG的自動生成有限元程序、PANDA的大規(guī)模并行計算、紫瑞CAE的便捷操作等都極具特色，在一定程度上滿足了當時國內(nèi)不同用戶群體的使用需求。

2）結構分析軟件的研發(fā)往往需要幾十乃至上百人的高智力的勞動和巧妙的設計思想，既是一項高難度的科學研究，也是一項大規(guī)模的工程，其成長離不開持續(xù)、大量的經(jīng)費。目前仍活躍在市場的團隊或者由國家課題、院所自籌經(jīng)費持續(xù)支持，或者轉(zhuǎn)向商業(yè)化公司運作，而沒有項目支持的團隊只能“日漸式微”。

3）科研院所往往專業(yè)齊全、科研人員相對固定，且具有良好的歷史積淀和實踐經(jīng)驗的積累，對于結構分析軟件的初期研發(fā)具有得天獨厚的先天優(yōu)勢。但是，在軟件在成功研發(fā)后如何能夠持續(xù)地進行產(chǎn)品的升級和運營維護，逐步趕超國外軟件，需要后輩人不斷的智慧和勇氣來逐步實現(xiàn)。