摘要：针对高端装备制造在设计、分析、制造、服役和维护等全过程中对CAE的需求，从结构、流体以及流固耦合等3个方面概述CAE技术国内外进展及其面临的机遇和挑战，指出在发展具有能够对装备在极端服役环境下准确的结构、流体和流固耦合CAE分析技术的基础之上，需不断突破面向工程应用的多物理场耦合、跨尺度分析、多学科综合设计、产品性能评估和集成等关键技术，使CAE逐步向支持现代设计和全寿命周期管理转变.
关键词：高端装备； CAE； 结构分析； CFD； 流固耦合
中图分类号： TB115 文献标志码： B
Opportunity and challenge of CAE technology for
highend equipment manufacturing
LI Yueming, CHEN Gang, XU Ding
State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University,
Xi’an 710049, China）
Abstract：
For the requirements to CAE in the whole process of the highend equipment manufacturing in the design, analysis, manufacturing, operation, maintenance and so on, the progress of CAE technology in China and abroad, and its opportunity and challenge are reviewed and discussed from three areas, i.e., the structure, the fluid and the fluidstructure coupling. It is pointed out that based on the developments of the CAE technology that meet the accurate analysis of structural, fluid and fluidstructure coupling for equipment in extreme service environments, the key technologies such as multiphysics field coupling, crossscale analysis, multidisciplinary synthetical design, product performance evaluation, integration and so on should be further promoted to enable CAE to support the modern design and full lifecycle management.
Key words：
highend equipment; CAE; structure analysis; CFD; fluidstructure coupling
0 引 言
制造业是国民经济的主要支柱，装备制造业是国家竞争力的集中体现，发达国家普遍将发展高端装备产业置于战略地位.2010年10月18日下发的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定（国发2010【32】号）》，以提升制造业核心竞争力等为目标，将高端装备产业等列入战略性新兴产业.我国已是世界制造大国，但与发达国家相比，自主创新能力薄弱等问题依旧突出.我国要从“制造大国”走向“制造强国”，需要变“中国制造”为“中国创造”，而其瓶颈之一就是缺乏“中国设计”.
国务院在发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》总目标中确定，“经过15年的努力，在我国科学技术的若干重要方面实现以下目标：掌握一批事关国家竞争力的装备制造业和信息产业核心技术，制造业和信息产业技术水平进入世界先进行列.”其中，重点领域“装备制造业”的发展思路之一是“提高装备设计、制造和集成能力,用高新技术改造和提升制造业”，“数字化和智能化设计制造”被列为“优先主题”之一，并指出：重点研究数字化设计制造集成技术，建立若干行业的产品数字化和智能化设计制造平台；开发面向产品全生命周期的、网络环境下的数字化、智能化创新设计方法及技术，CAE分析与工艺设计技术，设计、制造和管理的集成技术；强调“重大产品和重大设施寿命预测技术是提高运行可靠性、安全性、可维护性的关键技术；研究零部件材料的成分设计及成形加工的预测控制和优化技术，基于知识的成形制造过程建模与仿真技术，制造过程在线检测与评估技术，零部件寿命预测技术，重大产品、复杂系统和重大设施的可靠性、安全性与寿命预测技术”.
以大规模数值模拟为主的CAE技术在工程研究中正发挥越来越重要的作用，当前CAE技术已远远超出单纯数值分析的范畴，开始在高端装备结构设计、制造、服役和维护全寿命周期管理中发挥作用.2007年，美国NSF启动“通过千万亿级模拟和分析手段在科学与工程领域加速探索”计划，首选方向为与装备结构研发紧密相关的材料模拟、计算流体力学和结构力学算法.欧盟也在2008年推出类似计划，重点资助多尺度计算与工程设计.
大规模数值模拟在装备研发和基础研究中扮演越来越重要的角色.重大装备吸能、抗冲击、热管理、轻量化和多功能结构优化设计，大型零件制造过程（冷、热和特种加工）的数值模拟，面向功能、材料、结构和制造工艺因素的装备结构多学科综合优化设计方法，以及大型流体叶轮机械叶片的非线性流固耦合动力学等工程中的理论和技术研究都离不开大规模数值模拟技术的突破.如先进的计算流体力学和计算结构力学技术的出现，对大型飞机的研发产生深刻的革命性变化：发达国家飞机设计中已有30%～50％的气动数据和结构数据由计算机模拟提供；据国外资料统计，若不大量使用大规模数值模拟技术，仅完成现代飞行器气动设计所需风洞试验就要多耗费5～10年.
CAE技术综合性高，产业附加值高，技术辐射和扩散能力强，是科学走向工程的桥梁.从当前高端装备制造领域国家重大项目和航空航天装备发展趋势看，CAE战略高技术特性日益显现，且国际合作日益紧密.进入21世纪，高端装备制造纷纷被各国重新列为优先战略领域，使得CAE技术需求旺盛.另一方面，各学科基础研究成果和应用技术的不断突破为CAE发展带来新动力.
CAE的本质不仅仅是分析，还涉及到产品设计、分析、制造和服役的全寿命过程.高端装备设计与制造都离不开现代设计理论和数值模拟技术的发展.目前，国际高端装备制造领域CAE前沿技术发展趋势主要包括：服务于分析的多物理场响应CAE求解技术，服务于设计的优化设计技术，服务于制造技术的CAE模拟技术，以及服务于全生命周期的管理技术.而且，现代设计理念包含材料与结构一体化设计，环境与结构一体化设计以及环境、功能与结构一体化设计.