有限元仿真软件在我国企业生产中的应用研究*

宋军平 ， 陈亚军

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）

1 有限元仿真软件简介

有限元方法本质上就是用有限的未知量对无限未知量的真实系统进行无限逼近，具体方法就是利用近似的理想数学模型对实际物理系统进行模拟，模拟的基础是有限个简单存在又相互作用的单元[1]。1956 年，M. J. Turner（波音公司工程师）等四人共同在航空科技期刊上发表了一篇采用有限元技术计算飞机机翼强度的论文，把这种解法称为刚性法（Stiffness），一般认为这是工程学界上有限元法的开端[2]。目前，建模与仿真技术同高性能计算一起，正成为继理论研究和实验研究之后，第三种认识改造客观世界的重要手段[3]。通常，产品价值量低时，仅需实体试验，无需仿真模拟。对于复杂、高精和新型产品，可以通过软件仿真发现问题并及时改进，从而提高研发效率。

2 应用现状

新型及复杂、精密、高成本产品在设计时，往往借助于有限元仿真软件对其结构、材料和运行工况等进行模拟仿真分析，以设计出结构优化、选材得当、运行稳定的产品。这种设计方法避开了传统生产中通过大量反复的低效实验、片面且狭窄的经验传承、单一的理论支撑及因循守旧没有创新和竞争力的产品设计过程。当前，有限元仿真软件在工程中的应用越来越广泛，小到零部件的受力分析，大到水利工程、航空航天设备的结构分析，几乎都会运用有限元软件进行建模仿真分析。例如，2008 年北京奥运会时鸟巢的建造就借助于有限元仿真软件的分析，才设计出了钢材保持稳定且排列美观的“鸟巢”。再如，2010 年6 月4 日，“猎鹰”号可回收式运载火箭，其机械分离式助推器的研发没做任何实物验证，完全依靠有限元仿真分析。

课题组详细分析国内外仿真软件应用，综合其特点如下。

2.1 国外仿真软件应用现状

大型通用有限元商业软件ANSYS 是商业化比较早的一款仿真软件，于1970 年问世，可以解决机械、电磁、热力学等多学科的问题。此外，还有专注结构分析的ABAQUS，用于材料科学、水利工程、交通运输工程领域的MSC，用于结构、流体、热分析的ADINA 等软件。同时，还有用于航空航天领域的有限元分析软件NASTRAN，三维结构设计类的CATIA、Pro/E、UG 等。各仿真软件在不同领域的排名如表1所示。

表1 国外仿真软件在不同领域的排名

1978 年，美国Moldflow 公司发行了世界上第一套流动分析软件，几十年来以不断的技术改革和创新一直主导着CAE 软件市场。知网上，最早的Moldflow 分析论文发表于1993 年[4]，目前约有2 607篇。轴承行业有限元分析软件ANSYS 相关的论文始见于2002年[5]，目前约有1 929篇。

2.2 国内仿真软件应用现状

20 世纪70 年代中期，大连理工大学研制出了JIFEX 有限元软件，原航空工业部研制了HAJIF 系列程序。此后，我国有限元软件陆续开发，推广了一些自主程序的设计软件包。随着国外先进技术和新型产品的涌入，我国仿真分析技术与国外的差距愈加明显。尽管有限元仿真软件的发展需要时间，但机遇不等人。此类软件要发展就只能借助国外相关软件的力量，这也变相促成了当下国外软件垄断国内市场的格局，成为“卡脖子”软件。以作者所在地区为例，直到2012 年，某注塑企业才开始尝试接触Moldflow 软件；2014 年，某机械企业才开始对研发部门人员培训ANSYS 软件。这两家企业都用国外的“卡脖子”软件且接触时间较晚。

2.3 有限元仿真软件应用特点

1）对操作者能力要求较高。企业虽然渴求进步，认识到有限元仿真软件在产品设计中的优点，同时也安装了有限元仿真软件，但由于接触时间短，更多应用只停留在自我摸索、委托他人培训或尝试性的模仿状态。实际应用中，仅是供人参观、拿来炫耀或处于浅层次的建模分析，掌握过程缓慢、应用价值降低。

2）促进了产品的维护。实体产品运行工况或出现故障时难以被发现、察觉，不便于开展预防性维护。对产品进行有限元仿真时，可实时观察设备工况的全过程，便于通过模拟分析实现结构、载荷及运行工况的实时监控、调整和优化。可视化模拟仿真解决了设备工作时肉眼无法直观查看的部分工作过程，便于人们较为直观、真切地感知设备运行工况并对可能出现的故障进行预维。

3）降低产品生产成本。模拟仿真取代实体工况，依据仿真结果对产品进行尺寸、性能、寿命、工作环境及材料等的改进，以满足产品使用要求；此改进避开了常规生产中通过实体生产的试验验证，故而降低了原材料的损耗，降低了生产成本。

4）缩短产品开发周期。有限元仿真分析过程周期远远短于实体“设计、生产、试验、分析、改进并重新设计”全过程，在极大地缩短产品研发过程的同时可以迅速推出全新一代的产品而抢占市场先机。

5）仿真分析结果可靠、可传承。有限元仿真非经验摸索或传承，是一种虚拟仿真分析，有极精确的分析精度，为新产品的设计提供理论支撑和科学依据[6]。仿真结果与真实值接近程度高，进而证明了仿真结果具有一定参考价值[7]。另外，仿真结果可在类似生产过程中传承和借鉴，而无需再次仿真分析。

6）可分析寿命并检测故障。通过对设备进行仿真分析可预估其使用寿命[8]，操作者便于对设备开展预防性维护，在延长设备使用寿命的同时提高设备的安全性，进而实现了“防患于未然”的工作模式。当然，还可通过有限元分析进行设备故障检测，以精确判断故障出现的位置进而指导维护者开展精确的高效维护，缩短设备维护时间，提高生产效率。

7）降低工作人员劳动强度。有限元仿真应用集中在三个方面：产品仿真、工艺仿真和实验仿真，分别对应设计、制造和试验验证。无论哪个环节的仿真，都在趋向于智能制造，极大地降低了工作人员的工作强度[9]。

8）有助于产品的精密设计和革新换代。2018 年，世界机床龙头企业前10 强中已找不到国产机床，究其原因在于先进国外机床设计中依赖有限元仿真分析，改进了机床的整体布局、材料及工况，提高了机床运行的稳定性和精密程度。有限元技术的应用，致使我国机械制造中具有核心竞争力的高精端机床排名下滑、销量大跌。在产品创新领域，普通产品设计历经多年后依然一成不变，创新元素不足；采用仿真分析软件后，产品外形、零部件布局、选材及工况等都可通过仿真模拟后优化而获得较强使用性能，以最合理的生产方案制造产品。

3 应用发展迟缓原因分析

中国智能制造缺“芯”少“魂”，魂是指工业软件，其焦点是模型仿真[10]。仿真软件在我国起步较晚，主要应用于高校和科研人员，企业中对其使用现象表现为：大企业“假仿真”，中小企业“无仿真”，全中国“邻家仿真”。究其原因，本文总结如下。

1）软件来源。许多主流有限元仿真软件源自国外，国内对其原理、理论依据及具体操作等方面均需摸索、讨论或参加专业的培训，以致其推广速度缓慢。

2）操作语言障碍。许多仿真软件语言没有汉化，加之企业人员学历偏低，外语掌握水平欠佳，故操作该软件存在困难。

3）购置成本高。2000年左右，一套正版ANSYS在国内售价近百万元，当时全国房子均价为2 000元/m2，也就是一套ANSYS 可以在一线城市购买两套100 m2的房子。这个高昂的购置成本，也使许多企业望而却步。

4）前瞻意识薄弱。企业生产中，总是急于追求产量和按时完成订单，在产品研发和软件应用领域内投入较少且无暇驻足。总认为“实干兴邦”，对软件重视度不高，通常依赖生产试验和经验传承指导产品设计。由于仿真软件从接触到应用过程耗时耗力且仿真结果与实际应用有出入，故对其持抵制态度，放大软件使用中的缺陷，而不能接受新技术，故而企业研发方式变革迟缓、新产品生产滞后。

5）技术障碍。①在软件技术方面：首先，CAE 仿真过程中需要使用人员根据经验设定很多参数，经验具有很强的主观性。不同的使用者在解决同一仿真问题时设定的参数肯定也是不同的，仿真结果自然也就不尽相同。其次，软件仿真分析时，对模型常需简化处理而不能100%仿真。而简化的部分，可能也是最关键的研究要素。故模型简化后，可能找不出实用或核心的相关要素，致使仿真分析效果下降。②在硬件技术方面：有时即便通过仿真找出问题，实际生产时也受设备陈旧、材料不达标、工艺迟滞、技术落后或无法检测等因素限制而无法完成制造。例如，某注塑企业通过有限元仿真软件优化设计后的注塑模具，可能因搬运、储存、光照等外因无法满足，而使生产的模具无法达到设计要求。

6）操作者与实践者不能有效融合。有限元仿真软件的操作应用者多为高校、科研院所人员。他们从事的研究更多偏向于理论，在建模及参数设置时倾向于理想化，故研究结果实用价值大打折扣；实践者尽管有较丰富的生产经验和技术传承，但不从事软件操作，故未能将实践生产积累反映到软件分析中。由于两者融合度低，导致分析结果不被人们认可，软件的应用推广迟缓。

7）软件更新速度快。为提高此类软件的操作性和稳定性，几乎每年都会有同类新版本软件推出，这也使很多企业总是疲于软件的学习和培训，而真正应用的时机与精力较少，故其应用推广缓慢。

8）软件共享程度低。各企业按需购置软件后，会视其为企业“核心”软件，仅在本企业使用，研究成果也不分享甚至还会封锁，这种软件使用理念既提高了软件使用成本也降低了软件的推广速度。

4 解困之道

在国内，CAE/EDA 设计仿真软件的研发要远远落后于硬件，但是对于新产品研发，仿真软件是绝对必不可少的。脱离仿真，不仅极大地影响了研发效率，而且还可能因为实验无法通过而导致产品研发失败，仿真是验证产品早期设计唯一可行的方法，利用仿真，可以快速获得加工全方位、全过程的准确模拟，从而进一步优化加工工艺流程[11]。所以在企业生产中，必须深入推进有限元仿真软件的应用，具体措施如下。

1）有限元仿真软件进校园。从高中或大学阶段就开设基础软件和专业软件类的学习，尽早开展软件类人才培养。实现规模化人才培养，将有限元仿真软件作为工科类必备软件。

2）软件共享。在软件方面有类似研究模块的企业，可以共享软件，以降低软件配置成本；同时，建立共享型研发中心，由专业的软件操作者开展研发并做好后续的跟进工作，以提高产品研发效率和软件的深入应用程度。

3）建立产品生产准则。工业产品设计中，为普及仿真软件的应用，将产品设计仿真后是否合格作为考核的因素。即产品生产前，必须获得合格的仿真理论，方可生产。

4）加快国产软件的研发。根据《中华人民共和国促进科技成果转化法》，借助校企合作、项目化、模块化、产业化软件的开发，做好相关配套措施，鼓励高校和科研院所尽快实现成果转化，推进有限元仿真软件的国产化，以降低软件配置成本，加快软件应用速度。国产软件研发时，主要开展的工作如表2所示。

表2 国产有限元仿真软件开发的主要工作

诚然，软件的应用和开发很迫切，但也需要时间，不可一蹴而就。所以，相关人员必须高度重视，迎头赶上，切忌盲目赶超。

5 应用展望

随着有限元仿真软件在产品设计中的应用，工业设计的模式将会由过去的“提出需求—设计—制造—应用—发现不足—再重新设计—制造—应用—直至满足需求”演化为制造后直接应用，基本不需再次设计。这种技术带来的改变表现为：

1）无需实体试验，通过建模仿真即可完成新产品设计。随着仿真精度的提高，产品通常只需完成建模仿真便可投入生产，无需进行实体件的试验。

2）有限元仿真软件的应用模式由单机走向共享或租赁。随着仿真软件的应用普及，原先较为“神秘”“核心”的软件，将会全面普及到每台电脑或手机，而使其配置成本降低、应用技术水平提高。企业不需单独购置，可以共享也可以租赁。

3）数字孪生技术出现。数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。数字孪生实际上是一种超越现实的概念，可以将其看作是单个或多个互相关联的装备系统数字映射[12]。此技术的应用，实现了产品从设计、制造到后期应用与维护的全过程的优化，对产品的外观、性能、寿命等实现了优化。

6 小结

随着企业对有限元软件仿真技术认可度的提高及共享性、模块化的软件应用模式的推出及国产软件的不断涌现，国内企业中关于有限元仿真软件的应用技术将会提升，应用范围也将扩大或普及，国内产品的设计和质量必将越来越好，并将在市场竞争中拥有核心竞争力。