有限元仿真軟件在我國企業生產中的應用研究*

宋軍平 ， 陳亞軍

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741001）

1 有限元仿真軟件簡介

有限元方法本質上就是用有限的未知量對無限未知量的真實系統進行無限逼近，具體方法就是利用近似的理想數學模型對實際物理系統進行模擬，模擬的基礎是有限個簡單存在又相互作用的單元[1]。1956 年，M. J. Turner（波音公司工程師）等四人共同在航空科技期刊上發表了一篇采用有限元技術計算飛機機翼強度的論文，把這種解法稱為剛性法（Stiffness），一般認為這是工程學界上有限元法的開端[2]。目前，建模與仿真技術同高性能計算一起，正成為繼理論研究和實驗研究之后，第三種認識改造客觀世界的重要手段[3]。通常，產品價值量低時，僅需實體試驗，無需仿真模擬。對于復雜、高精和新型產品，可以通過軟件仿真發現問題并及時改進，從而提高研發效率。

2 應用現狀

新型及復雜、精密、高成本產品在設計時，往往借助于有限元仿真軟件對其結構、材料和運行工況等進行模擬仿真分析，以設計出結構優化、選材得當、運行穩定的產品。這種設計方法避開了傳統生產中通過大量反復的低效實驗、片面且狹窄的經驗傳承、單一的理論支撐及因循守舊沒有創新和競爭力的產品設計過程。當前，有限元仿真軟件在工程中的應用越來越廣泛，小到零部件的受力分析，大到水利工程、航空航天設備的結構分析，幾乎都會運用有限元軟件進行建模仿真分析。例如，2008 年北京奧運會時鳥巢的建造就借助于有限元仿真軟件的分析，才設計出了鋼材保持穩定且排列美觀的“鳥巢”。再如，2010 年6 月4 日，“獵鷹”號可回收式運載火箭，其機械分離式助推器的研發沒做任何實物驗證，完全依靠有限元仿真分析。

課題組詳細分析國內外仿真軟件應用，綜合其特點如下。

2.1 國外仿真軟件應用現狀

大型通用有限元商業軟件ANSYS 是商業化比較早的一款仿真軟件，于1970 年問世，可以解決機械、電磁、熱力學等多學科的問題。此外，還有專注結構分析的ABAQUS，用于材料科學、水利工程、交通運輸工程領域的MSC，用于結構、流體、熱分析的ADINA 等軟件。同時，還有用于航空航天領域的有限元分析軟件NASTRAN，三維結構設計類的CATIA、Pro/E、UG 等。各仿真軟件在不同領域的排名如表1所示。

表1 國外仿真軟件在不同領域的排名

1978 年，美國Moldflow 公司發行了世界上第一套流動分析軟件，幾十年來以不斷的技術改革和創新一直主導著CAE 軟件市場。知網上，最早的Moldflow 分析論文發表于1993 年[4]，目前約有2 607篇。軸承行業有限元分析軟件ANSYS 相關的論文始見于2002年[5]，目前約有1 929篇。

2.2 國內仿真軟件應用現狀

20 世紀70 年代中期，大連理工大學研制出了JIFEX 有限元軟件，原航空工業部研制了HAJIF 系列程序。此后，我國有限元軟件陸續開發，推廣了一些自主程序的設計軟件包。隨著國外先進技術和新型產品的涌入，我國仿真分析技術與國外的差距愈加明顯。盡管有限元仿真軟件的發展需要時間，但機遇不等人。此類軟件要發展就只能借助國外相關軟件的力量，這也變相促成了當下國外軟件壟斷國內市場的格局，成為“卡脖子”軟件。以作者所在地區為例，直到2012 年，某注塑企業才開始嘗試接觸Moldflow 軟件；2014 年，某機械企業才開始對研發部門人員培訓ANSYS 軟件。這兩家企業都用國外的“卡脖子”軟件且接觸時間較晚。

2.3 有限元仿真軟件應用特點

1）對操作者能力要求較高。企業雖然渴求進步，認識到有限元仿真軟件在產品設計中的優點，同時也安裝了有限元仿真軟件，但由于接觸時間短，更多應用只停留在自我摸索、委托他人培訓或嘗試性的模仿狀態。實際應用中，僅是供人參觀、拿來炫耀或處于淺層次的建模分析，掌握過程緩慢、應用價值降低。

2）促進了產品的維護。實體產品運行工況或出現故障時難以被發現、察覺，不便于開展預防性維護。對產品進行有限元仿真時，可實時觀察設備工況的全過程，便于通過模擬分析實現結構、載荷及運行工況的實時監控、調整和優化。可視化模擬仿真解決了設備工作時肉眼無法直觀查看的部分工作過程，便于人們較為直觀、真切地感知設備運行工況并對可能出現的故障進行預維。

3）降低產品生產成本。模擬仿真取代實體工況，依據仿真結果對產品進行尺寸、性能、壽命、工作環境及材料等的改進，以滿足產品使用要求；此改進避開了常規生產中通過實體生產的試驗驗證，故而降低了原材料的損耗，降低了生產成本。

4）縮短產品開發周期。有限元仿真分析過程周期遠遠短于實體“設計、生產、試驗、分析、改進并重新設計”全過程，在極大地縮短產品研發過程的同時可以迅速推出全新一代的產品而搶占市場先機。

5）仿真分析結果可靠、可傳承。有限元仿真非經驗摸索或傳承，是一種虛擬仿真分析，有極精確的分析精度，為新產品的設計提供理論支撐和科學依據[6]。仿真結果與真實值接近程度高，進而證明了仿真結果具有一定參考價值[7]。另外，仿真結果可在類似生產過程中傳承和借鑒，而無需再次仿真分析。

6）可分析壽命并檢測故障。通過對設備進行仿真分析可預估其使用壽命[8]，操作者便于對設備開展預防性維護，在延長設備使用壽命的同時提高設備的安全性，進而實現了“防患于未然”的工作模式。當然，還可通過有限元分析進行設備故障檢測，以精確判斷故障出現的位置進而指導維護者開展精確的高效維護，縮短設備維護時間，提高生產效率。

7）降低工作人員勞動強度。有限元仿真應用集中在三個方面：產品仿真、工藝仿真和實驗仿真，分別對應設計、制造和試驗驗證。無論哪個環節的仿真，都在趨向于智能制造，極大地降低了工作人員的工作強度[9]。

8）有助于產品的精密設計和革新換代。2018 年，世界機床龍頭企業前10 強中已找不到國產機床，究其原因在于先進國外機床設計中依賴有限元仿真分析，改進了機床的整體布局、材料及工況，提高了機床運行的穩定性和精密程度。有限元技術的應用，致使我國機械制造中具有核心競爭力的高精端機床排名下滑、銷量大跌。在產品創新領域，普通產品設計歷經多年后依然一成不變，創新元素不足；采用仿真分析軟件后，產品外形、零部件布局、選材及工況等都可通過仿真模擬后優化而獲得較強使用性能，以最合理的生產方案制造產品。

3 應用發展遲緩原因分析

中國智能制造缺“芯”少“魂”，魂是指工業軟件，其焦點是模型仿真[10]。仿真軟件在我國起步較晚，主要應用于高校和科研人員，企業中對其使用現象表現為：大企業“假仿真”，中小企業“無仿真”，全中國“鄰家仿真”。究其原因，本文總結如下。

1）軟件來源。許多主流有限元仿真軟件源自國外，國內對其原理、理論依據及具體操作等方面均需摸索、討論或參加專業的培訓，以致其推廣速度緩慢。

2）操作語言障礙。許多仿真軟件語言沒有漢化，加之企業人員學歷偏低，外語掌握水平欠佳，故操作該軟件存在困難。

3）購置成本高。2000年左右，一套正版ANSYS在國內售價近百萬元，當時全國房子均價為2 000元/m2，也就是一套ANSYS 可以在一線城市購買兩套100 m2的房子。這個高昂的購置成本，也使許多企業望而卻步。

4）前瞻意識薄弱。企業生產中，總是急于追求產量和按時完成訂單，在產品研發和軟件應用領域內投入較少且無暇駐足。總認為“實干興邦”，對軟件重視度不高，通常依賴生產試驗和經驗傳承指導產品設計。由于仿真軟件從接觸到應用過程耗時耗力且仿真結果與實際應用有出入，故對其持抵制態度，放大軟件使用中的缺陷，而不能接受新技術，故而企業研發方式變革遲緩、新產品生產滯后。

5）技術障礙。①在軟件技術方面：首先，CAE 仿真過程中需要使用人員根據經驗設定很多參數，經驗具有很強的主觀性。不同的使用者在解決同一仿真問題時設定的參數肯定也是不同的，仿真結果自然也就不盡相同。其次，軟件仿真分析時，對模型常需簡化處理而不能100%仿真。而簡化的部分，可能也是最關鍵的研究要素。故模型簡化后，可能找不出實用或核心的相關要素，致使仿真分析效果下降。②在硬件技術方面：有時即便通過仿真找出問題，實際生產時也受設備陳舊、材料不達標、工藝遲滯、技術落后或無法檢測等因素限制而無法完成制造。例如，某注塑企業通過有限元仿真軟件優化設計后的注塑模具，可能因搬運、儲存、光照等外因無法滿足，而使生產的模具無法達到設計要求。

6）操作者與實踐者不能有效融合。有限元仿真軟件的操作應用者多為高校、科研院所人員。他們從事的研究更多偏向于理論，在建模及參數設置時傾向于理想化，故研究結果實用價值大打折扣；實踐者盡管有較豐富的生產經驗和技術傳承，但不從事軟件操作，故未能將實踐生產積累反映到軟件分析中。由于兩者融合度低，導致分析結果不被人們認可，軟件的應用推廣遲緩。

7）軟件更新速度快。為提高此類軟件的操作性和穩定性，幾乎每年都會有同類新版本軟件推出，這也使很多企業總是疲于軟件的學習和培訓，而真正應用的時機與精力較少，故其應用推廣緩慢。

8）軟件共享程度低。各企業按需購置軟件后，會視其為企業“核心”軟件，僅在本企業使用，研究成果也不分享甚至還會封鎖，這種軟件使用理念既提高了軟件使用成本也降低了軟件的推廣速度。

4 解困之道

在國內，CAE/EDA 設計仿真軟件的研發要遠遠落后于硬件，但是對于新產品研發，仿真軟件是絕對必不可少的。脫離仿真，不僅極大地影響了研發效率，而且還可能因為實驗無法通過而導致產品研發失敗，仿真是驗證產品早期設計唯一可行的方法，利用仿真，可以快速獲得加工全方位、全過程的準確模擬，從而進一步優化加工工藝流程[11]。所以在企業生產中，必須深入推進有限元仿真軟件的應用，具體措施如下。

1）有限元仿真軟件進校園。從高中或大學階段就開設基礎軟件和專業軟件類的學習，盡早開展軟件類人才培養。實現規模化人才培養，將有限元仿真軟件作為工科類必備軟件。

2）軟件共享。在軟件方面有類似研究模塊的企業，可以共享軟件，以降低軟件配置成本；同時，建立共享型研發中心，由專業的軟件操作者開展研發并做好后續的跟進工作，以提高產品研發效率和軟件的深入應用程度。

3）建立產品生產準則。工業產品設計中，為普及仿真軟件的應用，將產品設計仿真后是否合格作為考核的因素。即產品生產前，必須獲得合格的仿真理論，方可生產。

4）加快國產軟件的研發。根據《中華人民共和國促進科技成果轉化法》，借助校企合作、項目化、模塊化、產業化軟件的開發，做好相關配套措施，鼓勵高校和科研院所盡快實現成果轉化，推進有限元仿真軟件的國產化，以降低軟件配置成本，加快軟件應用速度。國產軟件研發時，主要開展的工作如表2所示。

表2 國產有限元仿真軟件開發的主要工作

誠然，軟件的應用和開發很迫切，但也需要時間，不可一蹴而就。所以，相關人員必須高度重視，迎頭趕上，切忌盲目趕超。

5 應用展望

隨著有限元仿真軟件在產品設計中的應用，工業設計的模式將會由過去的“提出需求—設計—制造—應用—發現不足—再重新設計—制造—應用—直至滿足需求”演化為制造后直接應用，基本不需再次設計。這種技術帶來的改變表現為：

1）無需實體試驗，通過建模仿真即可完成新產品設計。隨著仿真精度的提高，產品通常只需完成建模仿真便可投入生產，無需進行實體件的試驗。

2）有限元仿真軟件的應用模式由單機走向共享或租賃。隨著仿真軟件的應用普及，原先較為“神秘”“核心”的軟件，將會全面普及到每臺電腦或手機，而使其配置成本降低、應用技術水平提高。企業不需單獨購置，可以共享也可以租賃。

3）數字孿生技術出現。數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。數字孿生實際上是一種超越現實的概念，可以將其看作是單個或多個互相關聯的裝備系統數字映射[12]。此技術的應用，實現了產品從設計、制造到后期應用與維護的全過程的優化，對產品的外觀、性能、壽命等實現了優化。

6 小結

隨著企業對有限元軟件仿真技術認可度的提高及共享性、模塊化的軟件應用模式的推出及國產軟件的不斷涌現，國內企業中關于有限元仿真軟件的應用技術將會提升，應用范圍也將擴大或普及，國內產品的設計和質量必將越來越好，并將在市場競爭中擁有核心競爭力。