黄志澄:CAE软件是航空航天的核心技术

来源 | 战略前沿技术(ID:Tech999)

作者 | 黄志澄

在今年中兴事件后，国人都知道芯片是一项最重要的核心技术。但是，至今很少有人知道，尽管中兴每年进口六七十亿美元的芯片，但如果美国禁用只有数百万美元的电子工程设计软件，那么，上百亿的芯片也不过是一堆高级硅土。

当智能制造和工业4.0的目标越来约聚焦在数字化设计、数字化工厂和数字化运营服务的时候，“数字建模和仿真”再次成为一切数字化工业背后最为闪耀的明星。最为重要的制造领域的三个软件工具，CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助工程)和CAM(计算机辅制造)，成为中国信息化最熟悉、然而看上去却是现在最为薄弱的领域。在这三种软件中，含金量最高而我国最为薄弱的当推CAE软件。

一、发展CAE软件的重要意义

当今的航空航天工业，实质上是一种高端制造业。它的产品十分复杂，而它的发展面临着激烈的国际竞争。只有不断研发出更好性能、更低价格和更快的研发时间，才能在激烈的竞争中保持优势地位。为此，在整个研发过程中，必须使用更快计算速度、更强存储能力和与用户更友好、更融合的数据处理能力的计算机，同时还要求一整套更逼真、更灵活的仿真软件，这些软件的核心就是CAE软件。

什么是CAE软件?它就是能使用计算机系统来实现产品性能的验证、精选和优化的软件系统。它的产品几何由CAD软件输入，它的最终结果将输出到CAM软件。目前在CAE软件中最重要的是运动学和动力学软件、有限元分析(FEA)软件和计算流体力学(CFD)软件。在为这些软件中，最困难和最有发展空间的当推CFD软件。

国外文献提供的数据表明，在产品的研发过程中正确使用CAE软件，可以大大减少设计过程中产生重大变化的概率，有数据表明甚至降低了15倍;缩短了产品研发时间的60%;降低产品使用中的故障率83%;产品的成本也有所下降。

随着产品的自动化、数字化和智能化的发展，特别是正在研发的航空航天产品，其复杂程度和成本都在不断增加，从而对CAE软件的发展提出了新的挑战。

二、航空航天发展对CAE软件的需求

随着人类对航空航天飞行器的要求不断提高，为了満足航空航天飞行器提高性能、降低成本和减少研发时间的要求，将要求采用能力更强、计算更便捷的CAE软件。下面按飞行器的飞行速度和飞行高度，从低到高依次来介绍这些飞行器对CAE软件需求。

1.常规飞机的需求

一般来说，飞机的设计可分为概念设计、初步设计和详细设计三个阶段。在概念设计阶段，要求CAE软件能提供有一定淮度而快?方便计算各种飞机构型，在巡航飞行状态的能力。在初步设计阶段，要求CAE软件能具有提供所选飞机构型的适中准度的仿真能力，具有能进行性能确认和优化的能力，并能自动生成变化的构型和自动生成数据库的能力。在详细设计阶段要求进一步解决飞机设计中存在的复杂的设计问题。这就对CAE软件采用的物理模型和计算的准度提出了更高的要求。

目前国外的先进CAE软件能满足飞机设计的一般要求，但对许多特殊问题仍然能力不足，特别是对于飞机发动机的非定常流动、飞机的稳定与控制、抖振边界、机翼控制和外来物体的撞击防护问题等，还没有适用的方法。说到核心的CFD软件，关键是目前尚无普适性的湍流模型，对于湍流、转捩和分离等复杂流动现象，其计算结果与风洞试验结果还有明显差异。

图1 CFD软件在常规飞机设计中的应用

2.高超声速飞行器的需求

目前世界各国发展的高超声速飞行器，主要有两大类。一类是以火箭发动机为动力的高超声速飞行器，如高超声速助推滑翔导弹和航天飞机等;另一类飞行器是以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器，如高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等。前一类飞行器对CAE软件的要求，是提供设计气动防热和稳定控制的仿真。后一类飞行器对CAE软件的要求，除了包括类似于前一类飞行器的要求外，还要提供吸气式发动机的仿真能力。这些吸气式发动机包括:超声速燃烧冲压发动机、各类组合发动机、高预冷吸气式发动机和爆轰发动机等等。

高超声速飞行器的设计过程，已经不同于常规飞机。首先高超声速飞行器己经不能像飞机那样，将飞行器的机体和发动机分开来单独设计，而必须将机体与发动机进行一体化设计。进一步研究表明，高超声速飞行器的空气动力学、推进系统、控制系统、结构系统的四大系统之间存在着很强的相互作用。可以说目前市场上的CAE软件，还无法满足这方面的需求。

文章来源：《电子设计工程》 网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2020/1013/700.html