多重创新过程: 大学章节的国内结构分析软件的开发过程

简介

自1970年代以来，高校一直是国内结构分析软件舞台上的活跃力量. 多年来，他们一直在将出色的数值模拟和计算力学人才汇聚到结构分析软件的开发中. 本文将基于两个典型的软件系统，为中国大学结构分析软件的自主研究和开发提供巨大的帮助.

长期以来，计算力学作为与工程实践最紧密结合的力学分支之一，其研究团队在国内大学中非常活跃. 北京大学，清华大学，大连理工大学，北京航空航天大学，西安交通大学，浙江大学，华中科技大学，同济大学等大学在计算力学方面都有自己的才能.

代表性的系统结构分析软件包括北京大学开发的SAP84和大连理工大学开发的JIFEX. 这些软件在1970年代和1980年代诞生时，与国外软件的差距很小. 例如，SAP84软件使用了单元存储稀疏算法和具有双向环路扩展技术的求解算法，计算效率极高. JIFEX软件使用的参数二次编程可以解决复杂的非线性问题，例如弹塑性接触和粘塑性.

图1 1979年第一届全国计算力学会议

当时这些技术与国际先进水平之间的差距不是很大，但令人鼓舞，“一个梦想不屈的雄心勃勃的年轻人的梦想，以及多年无情的side角. ”如今，几十年后的今天，当少年变苍白时，中国大学中的结构分析软件与国外商业软件之间的距离似乎越来越大. 无论是研发团队还是商业化过程，它都庞大到让人感觉完全不同. 大小. 许多与大学相关的课程都无一例外地与国外的CAE软件捆绑在一起，学生只会使用国外的CAE软件，这些现象使我们不得不回顾和反思这一旅程.

北京大学SAP84系统

SAP84由北京大学力学系的袁明武教授于1982年开发. 它基于有限元方法，基于加利福尼亚大学伯克利分校的SAP80软件（不是当前的德国ERP软件，而是1980年代最早被广泛使用的结构分析软件）在早期，基于主机系统，输入端是穿孔的纸带），在没有资金支持的情况下通用计算机的发展历程是，它坚定地走上了开发计算力学软件的道路. 一台个人计算机. 在经历了学习，消化和自主创新的阶段之后，到1984年，新版本大大超过了原始的SAP80，这也是名称包含“ 84”的由来. 袁明武教授坚信，工业软件的开发是将力学与工程实践相结合的唯一途径.

SAP84系统是在原始SAP软件代码的基础上进行广泛开发的，拥有30万行FORTRAN和C源代码，并在1990年获得了国家科学技术进步奖的三等奖. 该软件具有静态功能. 动态分析功能，可以适应实际工程结构的各种形状和边界条件. SPA84系统的主要功能模块包括: 平面模型图形输入模块，2D / 3D有限元网格自动生成和建模模块，结构设计图形后处理模块，支持建筑规范的混凝土加固模块，以及钢结构验证模块，桩基础承载力分析模块，施工模拟分析模块，高层建筑的特殊预处理程序和后处理模块.

图2 SAP84源程序和计算机

该软件主要用于的工程. 典型应用包括: 长江三峡大坝的初步设计，黄河小浪底工程的地震分析，北京西客运站主体结构的计算，秦山核电站安全壳的地震分析. ，Yun县，湖北汉江斜拉桥，深圳中国银行大厦等项目. 但是，这种著名的CAE软件最终未能在商业应用中取得巨大成功. 在1990年代，它逐渐受到外国软件的影响，并逐渐淡出人们的视野.

大连理工大学的JIFEX软件

JIFEX是由大连理工大学工程力学系/工程力学研究所/工业设备结构分析国家重点实验室联合开发的通用有限元分析和优化设计软件. 它是大连理工大学JIGFEX，DDDU等的早期开发. 该软件是继承和开发的. 它是中国最早开发的具有独立版权的大型通用有限元分析软件之一. 该系统于1999年获得国家计算机软件著作权，并已发展到JIFEX5.0版本.

图3 JIFEX软件系统

JIFEX软件的结构有限元分析功能包括: 静态分析，动力学分析，屈曲稳定性分析，导热分析，弹塑性接触计算，弹塑性分析等.

图4 JIFEX前后处理界面

JIFEX的结构优化设计的功能包括: 结构形状优化和组件布局优化设计，复合材料层压板路面优化设计，结构强度，刚度，重量和其他静态特性优化设计，结构设计变量灵敏度计算等.

1995年，JIFEX软件获得了“第二届国家独立版权CAD支持软件评估”一等奖，并于1999年获得了教育部科学技术进步奖二等奖. 航空航天，机械，车辆，土木工程，建筑等工程实践中，尤其要处理大型梁，平板和壳体组合结构的优化设计问题. 与其他CAE软件相比，JIFEX具有独特的优势.

2007年7月，大连理工大学力学系启动了新的独立软件平台SiPESC的研发. SiPESC采用面向对象，面向组件，软件设计模式和其他设计方法. 它的目标是建立一个具有计算，开放性和集成性的软件平台，并以共享/开源的形式为科学研究和工程提供服务.

图5 SiPESC平台功能图

SiPESC平台当前具有子系统，例如结构有限元分析，软件集成工具，脚本语言环境，集成优化计算，结构拓扑优化和计算工程管理.

结论

回顾中国大学结构分析软件的研究和发展历史，应该说中国大学已经培养了大量的计算力学人才，并开发了一系列创新算法. 除了本文提到的两个软件外，许多大学还拥有大量分散的结构分析模块和程序，这为中国CAE软件的发展做出了巨大贡献. 但是，由于国外软件的压制和大学定位的限制，大学软件的独立发展道路充满了曲折和曲折. 到目前为止，还没有规模工业形成，它的兴衰总是令人感叹. 这些先驱者遇到的困难是很难想象的: 缺乏资金，缺乏项目. 难以发送论文，难以获得职称；没有专职销售，自我编程和自我宣传；人才流失通用计算机的发展历程是，优秀学生不愿在团队中发展，精心培育的骨干被IT行业挖走，等等.

在技术层面上，国内高校提出了细胞存储稀疏算法，双向环路扩展技术的求解方法，高精度多层次子结构分析，非线性控制系统的保信优化，组合结构的拓扑优化. 最初提出该算法时处于领先水平，但是在软件级别上却没有显示出这种优势. 通过调查原因，许多专家认为CAE软件“本质上是科学计算，外观是软件，而应用领域是工业”. 这一要求与中国大学的职责和定位在本质上仍然存在很大差距.

参考

[1]钟万协，程庚东，中国的计算力学，世纪以来的力学与实践

[2]林学平，该国的重型设备沦为微生物产业｜中国的模拟软件坎bump之路

[3]百度条目SPA84

[4] JIFEX软件操作手册

[5]百度入门，JIFEX

[6]崔俊之，CAE软件的作用和发展趋势以及如何发展我国的CAE软件产业

[7] CAE钟万协: 与国家竞争力和国家安全有关的战略技术

[8]大连理工大学数值模拟软件SiPESC

“家用结构分析软件开发策略研究”系列文章将介绍“家用结构分析软件开发的现状和挑战”.

敬请期待！

编辑: 吴辰

制作人: 王兰

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