航天器结构设计与分析软件发展

赵胜璞， 王睿青， 张晓天， 金 平， 蔡国飙

（北京航空航天大学宇航学院， 北京 100191）

1 引言

计算机发展至今，其在体积、可靠性以及运算速度上不断提升。 尤其是自1964 年集成电路数字机的诞生以来，实现了每秒数百万次至数千万次的计算，这使得利用计算机对航天器的结构设计与分析成为可能。 这一阶段，NASA 等为首的航天工业部门，开始利用计算机编写程序，为复杂结构的设计与分析提供便利，在降低成本的同时大大提升了航天器设计的效率。

一款航天器的设计包括三维设计与仿真分析两大功能模块。 尽管目前各主流工业软件均已具备这两大功能，但根据其发展脉络与侧重方向，仍可依据主要功能将软件分为结构设计软件与仿真分析软件。

航天领域常用的结构设计软件包括Creo（Pro／E）、CATIA、SolidWorks 等。 软件以计算机辅助设计为主要功能，兼具部分力学仿真和优化功能。 同时，软件在功能上各具特色，在不同的领域发挥特长。 Creo（Pro／E）是美国参数技术公司（PTC）旗下的一款产品，以参数化建模著称，在三维设计软件中占据重要地位，在各国的航空航天领域应用广泛。 CATIA 最初由航空制造业发展而来，是法国达索公司旗下的三维设计软件，在航空业、汽车业等领域应用广泛［1－2］。 目前，该软件逐渐被应用至运载火箭的设计工作中。 SolidWorks 发展于1993 年，与CATIA 同为法国达索公司旗下的三维设计软件。 相较于CATIA，该软件功能较为完善，具备复杂结构设计能力，中国科研部门曾将其作为航天器设计的主要软件［3］。

对于仿真分析软件，常用软件包括Nastran（前处理软件Patran）、ANSYS、ABAQUS 以及ADAMS 等。 该类软件以仿真分析为主要功能，兼具基础三维设计功能。 目前，可对结构进行静力学分析、结构动力学分析、非线性分析、热分析、电磁分析、流体动力学分析、声学分析、压电分析等。同时，软件还在复合材料、多场耦合、增材制造、系统工程等领域不断扩宽其应用领域。 各软件针对优势领域各具优势：Patran／Nastran 主要应用于航空航天领域［4－6］；ANSYS 通过并购的方式，利用Workbench 平台整合各个功能，适应更多仿真领域［7－9］；ABAQUS 具有更加强大的二次开发能力，在学术界应用广泛［10－11］；ADAMS 在多体动力学领域表现优秀，对复杂航天器机构的设计具有一定优势［12］。

中国工业建模与仿真技术起步较晚，制造强国战略提出后，自主软件的开发与应用逐渐受到重视。 目前，一批自主研发的国产工业软件已经走入高校、科研院所以及市场。 但是，由于发展周期短、功能不完善、操作不便等因素，产品在实际应用时具有一定的局限性。 这使得国产软件并没有广泛应用于国内的航天领域。 在大国工业与科技的竞争背景下，国产工业软件的发展与应用迫在眉睫。

针对以上问题，本文首先对以上提到的应用于航天领域的主流软件进行综述；然后介绍了国内外航天装备领域相关软件应用情况，对比了国内外相关软件的功能，最后对中国航天器设计与分析软件发展途径进行了探讨。

2 通用软件调研

目前，中国航天部门主要以CATIA、Creo 与Patran／Nastran 等软件作为其结构设计与仿真分析工具。 下面，将分别介绍其发展历史、主要功能与发展趋势，为中国自主开发应用于航天领域的工业软件提供一定借鉴。 同时，介绍目前国内工业软件发展现状，总结国内外软件的发展趋势。

2.1 CATIA 软件

CATIA 研制于1981 年，是法国达索公司开发的三维设计软件。 发展至今，软件作为产品生命周期管理的一环，支持从结构设计、分析、CAM（Computer Aided Manufacturing）制造的全部工业设计流程。 根据其发展脉络、功能拓展与发展趋势情况，其发展历史大致可分为4 个阶段：初期立足时期、发展完善阶段、功能拓展阶段以及新体系探索阶段，发展历程如图1 所示。

初期立足时期，自软件开始研制至20 世纪90 年代末。 此阶段软件在三维设计的基础领域不断完善功能。 同时，为满足航空领域和汽车行业的设计需求，软件不断完善其制图能力：由最初的曲线设计到曲面设计，再到具备体积设计能力，由一维制图向三维制图发展。 至1980 年代末，已有美国波音公司、德国戴姆勒－奔驰汽车、日本本田汽车等公司将其作为CAD（Computer Aided Design）软件进行辅助设计工作。

发展完善阶段自20 世纪90 年代末至21 世纪初。 该阶段软件不断扩展其三维设计能力并开始强调自顶向下的设计。 与此同时，软件发展其自适应参数驱动功能，能够根据提供的驱动参数自动修改已有的参数化模型，生成新的模型。 软件在机电协同领域、管路线路设计、精密加工领域亦不断发展。

功能拓展阶段自21 世纪初至2010 年，该阶段CATIA 发展其仿真功能。 此阶段，软件由此前单一的三维设计功能，逐渐发展成为具备静力分析、结构动力学分析、热分析等多种仿真分析功能的设计仿真一体化软件。 自2010 年至今为软件的新体系探索阶段，软件在增材制造、多学科耦合设计、生命周期管理（PLM）、基于模型的系统工程（MBSE）等领域得到长足发展。 此阶段，CATIA更加注重对复杂系统的管理等能力的提升。

发展至今，CATIA 软件由功能有限、运行环境单一的软件逐步向多功能、多协同软件发展。由于CATIA 自身的诸多优势，中国部分航天科研院所与高校将其应用于航天器、运载器的结构设计中，目前已与航天领域建立起了密切的联系。例如，葛哲学等［13］利用CATIA 建立了航天员人体模型，同时进行了姿态仿真。 蔡亚宁等［14］利用CATIA 对星罩对接后星表插头操作空间的人机工程模拟技术进行研究，为航天器的设计提供依据，具体应用见图2。

图2 基于CATIA 的卫星结构设计Fig.2 Satellite structure design based on CATIA

2.2 Creo 软件

Creo 是美国参数技术公司（PTC 公司）旗下的一款三维设计软件。 该软件于2009 年开始研制，于2011 年发布其初代版本。

功能上，该软件继承了不再更新的Pro／E，同时整合了CoCreate 的直接建模技术和Product-View 的三维可视化技术。 作为Creo 的前代版本，Pro／E 首次提出参数化设计的概念，采用模块化方式进行设计。 基于单一数据库，易于产品的迭代优化。

目前，软件在具备基本的二维、三维制图功能的基础上，还能够进行诸如力、热学的仿真。 2022年5 月4 日，PTC 推出了最新版本Creo 9。 软件在核心建模环境、多物理场仿真、基于模型的设计、人体工学以及增／减材制造方面继续发展。2023 年5 月17 日，PTC 公司发布了Creo＋和Creo 10。 其中，Creo＋与“云工具”相结合，加强协作并简化CAD 的管理能力。 发展至今，Creo 集成了多个应用程序，覆盖产品开发的全过程，主要应用程序如表1 所示。 作为一个可伸缩的CAD 软件，具备2 D 概念设计、柔性建模、自由曲面设计、高级渲染以及逆向工程等相关功能。

表1 Creo 主要应用程序Table 1 Creo’s main applications

目前，该软件以及前代版本Pro／E 是中国国内航天院所与高校主要应用的航天器三维设计软件，实现对航天器的电缆布线［15］、低温系统［16］、卫星屏蔽［17］等的相关设计工作。

2.3 Patran／Nastran 软件

Nastran 是一款大型应用有限元分析软件，而Patran 是其配套的前处理软件。 该软件最初于1966 年在美国政府对航空航天工业的资助下为美国国家航空航天局开发，具体应用如图3 所示。

图3 Patran／Nastran 主要功能Fig.3 Patran／Nastran main funtions

1964 年，NASA 在对结构动力学年度研究计划进行审查时，发现其不同部门正开发各自的适应自身需求的结构分析软件。 有关部门认为应当开发一款通用软件，Nastran 由此产生。 该软件主要由FORTRAN 语言编写，模块是FORTRAN 子例程的集合。

20 世纪90 年代，软件通过引入动态非线性仿真、流固热耦合，以适应建筑、汽车等更多领域的仿真需求。 自20 世纪90 年代至2010 年前后，为软件的功能拓展阶段。 此阶段，软件不断增强其仿真功能，新增嵌入式疲劳分析功能、外部超单元技术以及高强复合材料分析技术。 近年来，软件又在耦合实模态分析、振动声学分析、结构动力学问题、隐式非线性问题的仿真分析上不断增强。目前，Nastran 的商业版本有MSC 公司的MSC Nastran，NEi 软件公司的NEi Nastran 以及西门子公司旗下的NX Nastran，各软件之间没有本质区别。

Patran／Nastran 已成为国内外航天科研部门和高校首选的结构设计和分析软件。 为验证发动机能否在机身力学环境下正常工作，波音公司利用Nastran 对发动机进行了静力学仿真和振动分析，如图4 所示。 静力学仿真包括对发动机自重、沿周向推力、转子惯性以及飞机俯仰角的仿真分析，而振动仿真则综合考虑了飞机在受风载荷、湍流等的影响。 美国国家航空航天局对詹姆斯·韦伯望远镜进行了全局模型的建模，并利用Nastran软件进行静力学、结构动力学以及热载荷仿真，以验证结构的可靠性。 张立新［18］在对探测一号科学探测卫星的结构分析中，利用Nastran 对整星进行了静力计算、稳定性分析以及频响分析。 林轻等［19］利用Patran 建立了月球着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型。 刘元等［20］利用Patran建立了SPORT 卫星子星的有限元分析模型，随后利用Nastran 对子星与母星进行了相关仿真分析。

图4 波音公司利用Nastran 对飞机发动机进行仿真分析Fig.4 Boeing uses Nastran for aircraft engine simulation

2.4 国产软件

随着国家软件发展战略发布实施，国内基础科学领域、工业软件的开发成为国家战略。 借助一系列政策，自研大型CAD、CAE 软件已经具备较为完整的功能。 诸如CAXA3D 等国产软件已投入实际的工程应用中［21］。

目前，中国部分自研软件诸如中望CAD、Simdroid、CAXA 等软件已经具备了完善的2D、3D 的全参数化建模功能，能够完成对诸如航空发动机等部分航空航天设备的建模；部分软件具备各种单元的网格剖分功能，同时能够做到对网格的精细化操作；具备求解分析功能：支持静力分析、模态分析、非线性分析、流体力学分析、电磁场分析、热力学分析等，基本能够达到国际通用软件的功能；同时，部分软件还支持用户的二次开发功能［22－23］，基本能够满足航空航天领域的定制化需求，提高结构设计效率。

具体而言，中望CAD 初期发展于中国建筑领域，之后不断完善、丰富其功能，逐渐应用于更加广泛的领域。 目前，中望3 D 三维建模软件已具备了实体建模、曲面造型、装配设计等较为完善的混合建模能力。 同时，该公司开发了国产CAE 软件集成开发平台ZWMeshWorks 以及结构、电磁仿真软件，具备基础的仿真分析能力，基本形成了设计与分析的全流程设计链。 Simdroid 发展于2014年，是一款国产自主开发的通用多物理场仿真软件，拥有单一物理场及多物理场耦合仿真内核。发展至今，软件具备CAD 建模能力、网格剖分功能、求解分析功能以及后处理功能。 同时，该软件支持APP 开发功能。 CAXA 是一套面向工业的三维设计软件，包含了三维建模、协同工作和分析仿真的功能，能够进行结构、热与流体仿真分析。

但是，受制于国内工业软件基础薄弱、研发起步较晚、研发周期较长以及未及时受到重视等因素，各国产工业软件仍存在一定的短板。 中望3D虽然在实体曲面混合建模技术上具备一定优势，但其在复杂航天器建模功能方面并无相关应用案例，有进一步提升的空间。 CAXA 能够兼容Auto-CAD 的数据，建立的模型能够符合国标模板库，但是在核心建模领域存在一定的操作不便利性。Simdroid 软件具备仿真APP 开发、云仿真等先进仿真理念，而在非线性分析功能方面、求解效率方面仍需进一步提升，如表2 所示。 国产软件应针对性地在对应短板处进一步发展。

表2 国产部分软件发展情况Table 2 Development of some domestic software

在进入21 世纪后，部分国产软件由于缺乏资金支持等原因，生存状况难以维系。 清华英泰（清华大学开发）、凯思软件（中国科学院大学开发）、必杰克软件（南京航空航天大学开发）以及金银花（北京航空航天大学开发）等CAD 软件已鲜有报道，如表3 所示。 同时，在行业内并未形成以国产设计与分析软件为中心的软件使用标准，企业不愿轻易改变使用现状，也是制约国产软件投入实际设计生产的一大阻力。

发展至今，受制于以上客观因素，国产软件占市场份额整体较少。 只有中望系列软件在建筑领域占据较高份额，而本文关注的航天领域则主要应用Creo 与CATIA 等国外软件，如图5 所示。

图5 CAD 软件国内份额占比情况Fig.5 Share of CAD softwares in China

经分析，制约国产软件发展的因素有以下几个：①国产工业软件发展起步晚，基础薄弱，该短板未及时受到应有的重视；②国内未形成知识产权的全闭环保护，存在大量的盗版软件；③在各行业领域无强制性软件使用标准，各工业系统依照内部传统使用相关美国、法国等功能更加成熟的工业软件；④虽有部分国产软件达到企业使用标准，但企业不愿投入学习成本、不愿改变现状，在一定程度上也制约了国产软件的进一步市场化；⑤相对于其它软件，工业软件研发周期长、技术壁垒高、资金投入大、成本回收慢等特点，制约了市场对其的关注与外部资金的注入。

2.5 通用软件发展分析

对国内外工业软件的发展沿革、主要功能及发展趋势进行调研，通用软件具有以下特点：

1）CAD 软件不断完善仿真分析功能。 对于SolidWorks、Inventor 等大型CAD 软件，在增强三维建模能力的同时不断完善仿真分析功能，目前已能够实现例如静力分析、模态分析、多场耦合分析等功能，有效提升了结构的设计迭代效率。

2）CAE 软件不断完善三维设计能力。 目前，大型CAE 软件诸如ANSYS、ABAQUS 等已具备基础的三维绘图能力。 对于基本的结构设计，可在一个软件内完成设计与分析的闭环。 同时，软件不断提升其三维设计能力，提升设计效率。

3）工业软件向上下游发展。 无论是结构设计软件还是仿真分析软件，均以其为核心，向产品的上下游拓展，实现诸如产品的CAM 制造设计、生命周期管理、面对复杂系统的系统工程等。

4）软件间的互联互通与二次开发。 目前，部分大型商业软件间支持统一文件传输格式并互留接口，能够充分发挥各软件的优势，达到互补。 软件还为个人二次开发预留接口，能够充分发挥软件的优势并提高用户使用效率，国内一些软件目前已支持这一功能。

5）国内商业软件现状。 国内CAD 软件早期服务于建筑等特定行业，例如中望CAD 等软件在其特色领域占据主导优势地位，但是在航空航天领域并没有国内特色商业软件。 而在部分科研院所与高校中，研发出了满足自身需求的仿真分析软件。 但由于适用面窄，不易操作以及缺乏资金支持等原因，自研软件影响范围小，无法实现大规模的商业，影响了软件的进一步发展。

3 航天领域软件应用现状

在地球大气层以外，按照天体力学的规律运行的各类飞行器，小至微小卫星、大至中国空间站，均属于轨道飞行器的范畴；而运载器指的是能够将有效载荷运送到太空预定轨道、从太空某位置运送回地面或者至太空另一位置的运载工具的统称，主要包括一次性使用运载火箭、部分重复使用运载器和完全重复使用运载器。 本节将以轨道飞行器和运载器为对象，介绍其设计所需的软件和发展趋势。

3.1 国外商业软件应用

在卫星平台的设计中，较为常用的前处理及有限元软件为Patran／Nastran。 该软件能够实现对结构的结构设计、静力学分析、模态分析以及振动频响分析等。 同时，在对精度要求较高的零部件进行仿真时，采用Hypermesh 软件对结构进行网格剖分。 该软件具有的强大的有限元网格划分前处理功能。 在对航天器结构进行诸如冲击问题、超高速碰撞等非线性力学分析时，采用ABAQUS、LS-DYNA 软件进行非线性力学分析。前者具有复杂非线性问题的处理能力，后者则在冲击动力学问题上具有显著优势。 例如，庞彧等［24］提出了一种用于深层月壤样品采集的、具有同轴双管单动钻具和柔性取样袋的钻取式自动采样机构设计方案， 利用力学仿真分析软件ABAQUS 建立了月壤和钻具的力学模型，对钻具钻入月壤过程进行了结构动力学仿真。 李怡晨等［25］利用ABAQUS 对碳纤维增强硅橡胶TWF 复合材料进行了力学性能的研究。 仝照远等［26］通过ABAQUS 对空间可展开薄膜的展开过程进行模拟，并进行应力水平分析。

在空间机构的设计中，主要包含星舰对接、在轨对接、伸展机构、太阳翼帆板等相关设计工作，涉及的软件包括Patran／Nastran、Pro／E、ADAMS等。 Pro／E 是美国参数技术公司（PTC）旗下的一款CAD／CAE／CAM 一体化三维软件，以参数化建模技术著称。 翟茂春等［27］利用Pro／E 及Patran软件对航天器进行参数化建模及网格划分。 ADAMS 是美国MSC 公司旗下的多体动力学仿真软件，能够对多刚体系统进行结构动力学分析。 李隆球等［28］设计了一种三臂型非合作目标卫星对接机构并用ADAMS 进行了对接仿真。 黄俊等［29］采用结构动力学仿真软件ADAMS 对着陆器在虚拟月表地形上的稳定着陆概率进行仿真计算。

在中国空间站的设计中，涉及对空间站的构型、舱内设备、机械臂、动力控制等方面。 科研人员主要应用了Pro／E、ADAMS、Patran／Nastran 等软件辅助其设计工作。 例如，葛东明等［30］利用ADAMS 软件对空间站舱体大范围刚体运动、太阳翼振动、机械臂臂杆振动、关节结构动力学特性等进行仿真分析。

在运载器的设计中，包括了对发动机、火箭整体结构、喷管等关键部件的结构设计与振动分析、频响分析、流体力学分析等，主要应用ANSYS、Patran／Nastran、ABAQUS 等软件。 乐晨等［31］提出了一种基于ABAQUS 壳模型的高精度贮箱的建模方法，运用隐式算法进行了仿真分析。 杨琨等［32］利用Pro／E 与ANSYS 对固体火箭发动机滑块与壳体连接结构进行了优化设计。

目前，中国科研院所已将主流商业软件融入其对轨道飞行器、运载器的设计与分析工作中。这些软件的成功应用，较为显著地提高了航天器结构的设计效率、可靠性，降低了设计迭代成本。同时，应用商业软件最新的优化、声学、电磁分析等功能，相关设计工作具备了更加可靠的仿真结果支撑。

3.2 国内软件应用

目前，中国部分科研院所、高校已发展出适用于特定航天领域的专用软件。

北京航空航天大学宇航学院蔡国飙团队基于直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法，开发出了用于航天器羽流效应分析的真空羽流软件，如图6 所示。 该软件依据模块化设计的原则，引入面向对象的编程思想和具备较强通用性的粒子边界处理模块，实现了PWS 软件在羽流模拟计算的通用化［33］。

图6 真空羽流软件仿真结果Fig.6 Simulation results of vacuum plume software

大连理工大学陈飚松团队开发出了结构有限元分析与优化软件SiPESC，已成功应用于天文一号火星车等航天装备的相关设计工作中［34］。 该软件具备以下五大功能：①集成开发环境；②面向系统集成的活动流程图定制工具；③工程数据库管理系统；④开放式结构有限元分析系统；⑤集成优化计算系统。 通过对某卫星平台组件修正、神舟飞船返回舱结构分析与优化等相关工作的开展，验证了软件的可靠性。

清华大学计算动力学研究室开发出了无网格物质点法计算软件MPM3D，能够对结构受强冲击下的大变形破碎问题进行模拟［35］。 该软件自2004 年研发，目前支持多种求解器求解和材料模型的自开发功能。

中国空气动力研究与发展中心开发了基于SPH 与欧拉算法的超高速撞击模拟软件，为航天器防护结构的设计提供依据［36］。 PTS 软件基于SPH 方法，能够对超高速碰撞等相关问题进行求解。 NTS 软件基于欧拉方法，利用二阶差分算法进行求解，拥有丰富的本构模型和状态方程库，可以有效模拟各类碰撞、冲击和爆炸问题。 目前，科研人员基于开源ParaView 软件，完成了前后处理软件的开发工作，形成闭环。

这些软件由基础功能不断发展完善，后扩展至相关领域，在求解算法和适用范围上不断提升。但是，相较于主流国际软件，这些软件推广程度有限，并未完全实现商业化，各软件特点如表4所示。

同时，以高校为主力，也开发出了基于不同软件平台的二次开发软件。 北航空天所、宇航推进系等单位先后为航天部门提供了多种二次开发软件，为航天器的结构设计提供相关指导，如表5 所示。 但是这些软件仅限合作科研部门使用，市场推广程度几乎为零。 同时，各个科研院所之间也无法很好的实现软件共享，限制了航天领域内软件的通用化，降低了设计部门的工作效率。

表5 部分国产二次开发软件Table 5 Some domestic secondary development software

其中，基于Pro／E 开发的结构模型轻量化软件用于在3 D 模型中去除螺纹孔、倒角等细节，服务于有限元分析；基于MATLAB 开发的火箭载荷分析软件用于计算火箭飞行、放置和吊装的内部载荷分布；基于ISIGHT＋ANSYS＋MATLAB 开发的可靠性分析软件用于多失效模式下的结构可靠性分析；基于NASTRAN 开发的卫星结构主振动控制仿真软件用于对卫星模态模型进行主动振动控制仿真。

与此同时，NASA 也公布了应用于航天结构领域的诸多小型专用功能仿真软件，软件数量较大。 其中，绝大部分软件仅限美国申请使用，如表6 所示。

表6 NASA 专用软件名录Table 6 NASA specialized software directory

NASA 作为总体行政科研机构，负责将各部门使用的小型专用软件进行汇总，为不同学科的各科研人员提供统一的软件供应渠道。 而中国则缺乏执行相关职能的部门，各小型软件分散于各专业领域的不同负责人手中。 这使得各科研院所间无法高效地达成技术共享，限制了航天器的设计与迭代效率。

3.3 趋势分析

首先，主流商业CAD 软件不断拓展应用广度，向结构设计的上下游拓展，力图形成全产业链的应用辐射；而主流商业结构分析CAE 软件不断加强其应用纵深，在软件的算法方面不断优化，强化分析功能和协同工作能力；同时，新理论和新技术的应用不断为设计分析过程带来变革。

其次，对于国产通用软件，软件在复杂系统建模、多场耦合仿真与集成协同仿真方面有待增强，目前不能完全满足复杂航天装备系统结构设计与分析的要求。 同时，软件在计算精度、计算效率方面与国际先进水平存在一定差距。 国产大型专用软件在针对某些难点问题形成了较为完整的解决方案，但是其在用户交互性、易用性方面还有提升空间，同时有限的市场应用空间无法为其提供长期维护和持续发展的进一步资金支持。 国产专用小型软件通过先进算法或定制功能提升设计分析效率，专用性强，目前国内已积累了一定数量的此类软件，但是这类软件在复杂对象适用性，可持续更新维护方面仍需提升。 国产专用二次开发软件主要应用于特定对象，各航天部门、高校间无法达成二次开发软件的技术共享。

4 航天器设计与分析软件发展途径

对于航天轨道飞行器、运载器，在设计时需要充分考虑其结构复杂性，在分析时需要考虑其在发射过程中的过载、振动响应，在轨运行时的机构多体动力分析、各设备的电磁屏蔽分析等一系列复杂工况。 这类复杂对象的软件开发工作需充分考虑物理模型的复杂程度，丰富软件在静力学、结构动力学、结构优化、振动分析、声学分析、电磁分析以及多场耦合等更多领域的仿真分析功能，不断提升对象对求解难度和精度不断提高的要求。

目前，中国已开发的CAD／CAE 软件在建模、仿真分析方面与世界主流商业软件存在一定的差距。 对于CAD 软件，国产软件在核心建模功能、复杂模型建模领域不能完全满足复杂航天装备系统结构设计的要求，在对结构中的精细零部件建模时存在一定的困难。 对于CAE 软件，国产软件在计算精度与效率、复杂系统适用性、多场耦合、集成协同仿真方面有待增强。 软件应充分考虑相关飞行器总体部门、航空航天高校的需求，在通用平台上提供适用航天装备系统的更为复杂的建模手段，丰富力学、振动分析、结构优化的仿真功能。同时，应当整合现有国产小型专用软件以及二次开发软件，便于各部门之间的技术沟通。

同时，随着制造强国战略在我国的不断深入，目前已经积累了一定数量的国产工业软件。 但是，对这类软件的客观评价标准体系尚缺乏讨论。 面对这一情况，应当首先对不同国产软件的易用性、功能完备性、设计理念先进性等方面进行综合考量。

CAD 软件依据核心建模能力可分为基础功能、进阶功能与高级功能。 其中，基础功能包含二维工程制图与常规模型设计；进阶功能包含曲面设计、复杂管线布置与多物理场仿真；高级功能包含增材制造、数字孪生与产品生命周期管理相关功能。 基础功能的实现使软件具备一定程度的实用性，基本满足工业生产需求；高级功能的实现使软件在面对诸如航天器关键零部件复杂产品结构时，建模结果具有可靠性，且能够完成单一平台设计仿真一体化，加快产品迭代效率；高级功能覆盖目前国际主流CAD 软件的发展趋势，该功能的实现能够满足最新的工业制造工艺需求、产品的全流程建模以及全流程管理。

目前，中国尚未形成类似ANSYS 的大型集成多物理场仿真平台。 考虑实际情况，涉及结构分析的CAE 软件在前期发展阶段应该能够在至少一个物理仿真环境中占据优势，采取深度优先的策略。 对CAE 软件的客观评价标准也应以软件在特定仿真领域的算法准确度与深度为评价标准。 在后期发展阶段，考虑引入对CAE 软件的复杂环境仿真、多物理场耦合仿真的评价体系。

在发展途径方面，在第一阶段，可在已开发的国产CAD 软件中选择一款，完善并丰富其针对航天装备系统的建模功能；而针对CAE 软件，可对国内几款仿真软件功能进行相关整合，优势互补，建立仿真领域更加丰富的统一仿真平台。 在第二阶段，可在CAD 软件中提升针对轨道飞行器、运载器的诸如曲面、管道以及复合材料等的三维设计能力，不断增强优化功能；而在CAE 软件中，完善航天领域的材料模型库并增强仿真模块，实现各类耦合场、复合材料等的分析求解。 在第三阶段，整合已建立的CAD、CAE 软件，建立两者数据传输统一格式，尝试形成统一设计与分析的统一平台。 完善基于模型的系统工程、3 D 打印、数字孪生等先进技术，建立针对复杂航天装备系统设计的全流程软件支持，流程图如图7 所示。

图7 中国CAD／CAE 软件发展流程建议Fig.7 Suggestions for the development process of Chinese CAD／CAE software

5 结语

工业CAD／CAE 软件作为结构设计与分析中不可或缺的一环，在当前十分重要且广泛应用于航天器设计工作的计算机辅助工具。 对比发现，国产自主工业软件与世界主流工业软件在复杂系统适用性、多物理场耦合仿真、集成协同仿真等诸多方面存在较为明显的差距，不能满足复杂航天装备系统结构设计的要求。 目前在高校与科研院所中，仍采用国外工业软件进行航天器结构设计工作。 随着航天事业的发展，相关工作必将对科研人员提出更高的要求，工业软件的重要性不断提升。 因此，应推进、建立并执行对国产软件长期运行维护的可持续发展规划，推进国产工业软件的进一步发展，为航天技术的发展提供有力支持。