国内有限元发展里程

juniger

中国CAE技术研究、开发和应用可以说是几起几落，走着一条十分艰难的发展之路。已故我国著名计算数学家冯康先生在50年代就提出了有限元方法的基本思想，几乎是和国外同步。 60年代中期我国也出现了一些学习有限元方法的单位和学者，但是由于计算机硬件条件的限制，更由于文化大革命等政治社会环境的影响，在相当长一段时期，我国CAE技术的开发和应用完全停顿，和国外拉开了很大的差距； 20世纪70年代中期，大连理工大学研制出了DDJ，JIGFEX有限元分析软件和DDDU结构优化软件；北京农业大学李明瑞教授研发了FEM软件；80年代中期，北京大学袁明武教授通过对国外SAP软件的移植和重大改造，研制出了SAP-84；由于航空工业的需求，航空工业部从70年代初也开始陆续组织研制了HAJIF（I，II，III），YIDOYU，COMPASS，并多次获国家级奖励等等。这些国内CAE软件与国外的同类产品相比，在核心算法和若干功能上有很多特色，反映了我国学者在计算力学研究中取得的成果，充分考虑了我国计算机硬件的实际条件，在国家基础设施建设和工程结构设计中都发挥了重要作用，有相当广泛的应用；
90年代以来，国家加大开放力度，大批国外软件涌入中国市场，加速了CAE技术在我国的推广，这无疑提高了我国装备制造业的设计水平。在此同时，我们自主开发的软件受到强烈挑战。特别是盗版的国外软件，对我国自主开发的CAE软件打击很大。有一段时间，几乎听不到自主开发CAE软件的声音，相关管理部门支持国产软件发展的力度大幅下降。支持基础研究的部门认为，CAE软件开发提不出基础科学问题，支持科技攻关和高新技术发展的部门认为，CAE软件开发要走市场化的道路，到市场上去找经费。自主开发CAE软件在人力、财力、物力上都遭遇很多困难。
CAE软件集中凝聚了技术科学的研究成果，自主开发CAE软件面临的处境和技术科学在我国的的处境相仿。最近的两院院士大会上，胡锦涛同志针对忽视技术科学的倾向，强调了“要高度重视技术科学的发展”，给我们以很大鼓舞。事实上，这些有我国自主知识产权的软件的功绩是不可磨灭的，这些软件不仅解决了一大批国家经济建设提出的问题，产生了直接和间接的经济效益，其研发和应用过程培养了一大批从事CAE研发和应用的人才；这些软件的存在也打破了西方国家对我们的壁垒，迫使国外产品大幅度地降低了价格，它们直接或间接地对国家GDP做出了不可低估的贡献。
国产CAE软件发展面临的困境是我们国家自主知识产权的大部分技术和产品面临的困境的缩影；在我国技术经济学的领域内，有的专家认为，改革开放以来国民经济增长的主要贡献来自开放，而不是自主知识产权的技术创新，后者对GDP的贡献非常小。这样一个说法也许有依据，因为在现实生活中我们可以看到，国内相当大批企业使用的成套技术、成套生产线上的设备和大型软件是从国外引进的，生产的工艺和很多产品的知识产权是外国公司的。因为面对西方发达国家研发多年的成套技术、设备、产品以及拓展市场的经验，我们自主创新的科技成果虽然在技术上优于对方，但往往还缺乏足够的经济上的优势来淘汰对方。这样一个说法应该引起我们广大科技工作者和管理部门的反思，如何加速我们具有自主知识产权的技术创新活动，如何将这些成果尽早转化为现实的生产力。但是，我们应该强调的是，以对GDP的直接贡献来衡量中国科技进步对国家经济建设和社会进步的贡献，是非常片面的；我们不能以对GDP的直接贡献不大为由，就不重视自主创新。正如江泽民同志指出的，创新是一个民族的灵魂。
值得庆幸的是，尽管面临诸多困难，国内仍然“幸存”下来一批致力于CAE技术的研究队伍。中国科学院数学与系统科学研究所梁国平研究员团队历经八年的潜心研究，独创了具有国际领先水平的有限元程序自动生成系统（FEPG）。FEPG采用元件化思想和有限元语言这一先进的软件设计，为各种领域、各方面问题的有限元求解提供了一个极其有力的工具，采用FEPG可以在数天甚至数小时内完成通常需要数月甚至数年才能完成的编程劳动。FEPG是“幸存”下来的为数不多的CAE软件，这也得力于FEPG软件比较灵活，能够解决很多国外商用软件无法解决的有限元问题，FEPG软件实用性强，但易用性较国外商用软件差，这也是很多初级用户感觉较难而不愿意学习FEPG的因素。经过多年积累，业已有三百多家科研院、企业应用。已成为国内做的最大的有限元软件平台。但与国外软件市场化程度相比还是有一定差距，需要在软件易用性方面做一些工作。
为向国内用户提供面向应用的有限元分析系统，原FEPG团队的钱华山博士组织成立了北京超算科技有限公司，并开发了超算有限元分析系统SciFEA。SciFEA软件已形成了单机版、网络版(iSciFEA)、集群并行版、GPU并行版(SciFEA-GPU)系列版本。SciFEA软件国内正式用户已接近500家，下载试用用户已超过两万份。SciFEA抛弃了传统CAE软件复杂结构体系设计模式，采用直接面向用户需求的独立模块开发方式，目功能上通常的计算功能已经具备，在计算模型的扩展方面还有待进一步发展。
除FEPG软件、SciFEA软件比较成规模外，中国建筑设计研究院的PKPM软件在建筑领域也具有广泛的应用，而大连理工大学的软件主要是解决结构优化； 其他也有一些国内有限元软件，中国农业大学开发的有限元侧重梁板壳的计算，但其发展缓慢，市场上很难见到其踪迹。美国在2011年的规划中把仿真计算作为未来规划中的五大基础产业之一，可见有限元对社会的发展的影响力，而我国大多应用的是国外的有限元软件，并且在某些军工或尖端有限元分析模块方面是严格限制向中国出口的。这更需要国内自主知识产权的有限元软件。