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程耿东 | 数值模拟和优化---创新设计的核心软装备
2017-08-24    来源:e-works整理    发布者:王继宏


       2017年7月7日,国产工业软件优秀解决方案展示对接会(大连)成功举办,会上,中国科学院院士程耿东发表了题为《数值模拟和优化---创新设计的核心软装备》的演讲,本文为演讲内容整理,未经作者本人确认。

    报告主题分为以下几个方面:第一,创新设计是从中国制造向中国创造转变的标志;第二,先进制造和信息化融合,为创新设计提供全新机遇;第三,数值模拟和优化为创新设计提供完美的工具;第四,数值模拟和优化设计的若干典型应用;第五,国家软件新机遇和自主数字仿真平台;最后是结语。

    中国现在已经是制造大国,部分领域处于国际前沿,装备制造业产值在世界范围内占很高比重。航空领域,神州飞船、长征系列火箭、探月工程都是国际前沿。其它领域,三峡工程、水电、火电等都处于国际前沿,以及高性能计算机,移动通信,深海探测、量子通讯、北斗导航等。

    但是,中国现在还不是制造强国,缺乏高端装备和核心技术的自主知识产权。比如说高档数控机床95%都需要进口。高铁轮对、轮轴加工是在中国,但是坯材来源于进口。生活用品方面,比如手机用的相机都不是中国制造的,机器人的核心部件都需要靠进口的。还有软件,大型管理设计软件几乎都是进口,由国外企业垄断。

    现在中国制造业形势很好,但是也可以说形势很危机,政府提出了中国制造2025,要把中国从制造大国向制造强国转变。中国面对两方面的挤压:一方面是先进发达国家从知识产权角度来挤压国内企业;二是发展中国家以更低环境成本和劳动力成本挤压。对此,第一条要自主创新,要有自己的产品,是源头的创新。中国过去拿来产品设计再加工,很多企业处于代工设计,后来管理体制发生变化,从国外拿来图纸和设备来做。高校也处于这样的状态,机械制造也主要是加工,实际到一个学校去看就是怎么加工,往往是这样研究问题的。我认为创新设计和质量工程是制造业供给改革很重要的两方面:一是自主创新,二是提高质量。

    信息化的融合是制造业的机遇。先进制造业要和信息化融合并不是现在才想到的事情,80年代的时候我参加清华大学牵头的一个项目,到一些企业进行合作,搞计算机集成制造系统,希望把企业管理、加工制造、产品设计、市场需求通过计算机管理起来,这项工作取得一定成绩,但是很局限。现在来看是信息技术发展水平和工业化发展水平不匹配。现在情况发生很大变化,信息技术使得各个环节都大幅度上升,80年代的时候可靠度不行,传感器的信息不准确。现在传感器发展速度很快,但这仍然是很大问题。还有传输,存储、处理等,由于这些大的发展,使得信息化技术在现代生活中越来越重要。可以说任何学科、技术和工业部门要是能够搭上信息技术的快车都可以实现创新。

    制造业信息化数字化要求企业掌握制造过程的规律,中间有一个过程是中间技术软件化。计算机只能够接受0和1,要把所有知识都变成0和1,从制造到信息要实现深度融合,需要了解它的规律。信息化流程要获取、传输、贮存、处理和解释设计开发制造过程中需要的信息形成新的信息,利用这些信息改进设计、精确控制制造过程。没有知识库和软件制造业要信息化还是不行。淘宝的顾客数据收集起来非常快。但是在企业,一年可能几百件产品,要查它的数据库很少。淘宝很容易收集大量的数据,所以讲大数据的时候,像这样的工作做得比较快,只是在工业部门要建立数据库还是有很大困难。举例来说,如果一个企业老总说要买美国的设计软件,问能不能做这个软件?它的算法国内企业都能做,但是它的数据库无法知晓。后来可能谈到4000万全部买下,贵的原因就是数据库和知识库。

    我时常被问及这样的问题,纯科学和应用科学究竟哪个对世界更重要?为了应用科学,科学本身必须存在,假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用,我们就会退化,多少代都没有进步。某种程度上我们国家文化中间缺少寻根问底。

    什么是数值模拟,就是在物理和数学建模基础上,基于高性能软硬件平台,利用先进计算方法对工程科学中的复杂问题进行数值求解。数值模拟与理论和实验并列为科学发展和技术创新的三大支柱。现在特别是非常宏观的科学,很多问题不仅做不了实验,理论上还缺乏,而技术软件能够提供很多信息和数据。包括现在我们的实验,很大程度上是数字模拟和理论研究。数值模拟也是工程产品创新设计,制造工艺革新,提高产品质量,实现供给侧改革的支柱。

    工程科学计算领域,很多国家看成战略技术,非常重视。在2006、2009年美国作为国家安全的关键。2009年美国竞争力委员会发布的白皮书把建模、模拟看成战略优势的王牌,最近这几年也还有新的战略。

    在各种机械产品的不同性能中,什么是力学性的呢?比如一个产品的强度、刚度、振动、断裂、疲劳、密封性能、耐磨性能、安全性能、精度和高度,使用寿命这些都是力学研究的知识。现在新产品的创新设计和已有产品质量提升都离不开对力学的性能分析。数字模拟的简单发展历史就是现在讲的CAE、CAD。应该说力学在CAE、CAD发展中起到关键作用,因为在40年代出现电子计算机之后,50年代就由美国提出有限元法分析机翼壁板。力学从书本上走到工程师每天用的工具,这套计算方法推广到电学、化学、纳米,形成庞大计算科学,应该说计算科学最早做得最完美的就是计算力学,这是力学的发展。而且力学领域最大成就就是有限元方法。大连理工大学之前的老校长也是中科院院士,他在文化大革命还没有结束的时候,1973年邓小平第一次上台的时候他就提出要发展计算力学,之后我们就组织了一支计算力学的队伍,来发展国产软件。

    第二个方面是优化。简而言之就是设计要不断的改进。有初始的设计,初始造的房子有缺点要改进这个房子,所以我们现在住的房子都是优化的,包括自然界的生存竞争,人类优胜劣汰也是优化的,但是这个优化是自然发生的,现在是用计算机帮助进行优化的过程。这就是现在优化升级研究的东西,提出了一个初始设计,确定给定设计的性能,判定设计的优劣,在计算机上由于有了有限元、数学规划,结构优化已经可以跟CAE、CAD一样非常快的为工业界服务,在工业界使用优化软件。

    目前优化无处不在,政府工作报告里面有70到80个优化。我想说优化有三个要求,首先要有目标,第二是什么约束条件,第三是有些什么动作可以修改。也可以拿来审查政府工作报告,有没有考虑这三个因素。优化本质上就是寻求资源最优分配,优化就是要做好事。华罗庚院士在60年代的时候搞运筹学,举的例子就是炸油条。优化研究对象进展,开始做尺寸优化,后来作形状优化,现在作拓扑优化和材料优化。优化的方法发展一开始是数学规划占主要地位,近年来是智能算法,包括仿真算法、种群算法以及软算法,人工智能的问题模式匹配问题,最后是数学优化的问题。还有优化软件的发展,现在趋势是所有分析软件都安装优化的功能。

    结构优化搜索算法的基本思想。例如要到达山顶,人往山顶上走,首先要确定往哪里走,确定方向就是搜索算法最基本的思想数学规划法。这方面中国科学院有好几个院士都是做这个的。

    智能算法方面,拿一大堆群体,我们进行交配,通过概率的方法进行淘汰,一步步往下做,它的特点是建立在种群基础上,这都是经过优化的现在算法。

    对于结构优化来说,包括尺寸、形状、拓扑优化。拓扑优化比较困难,尺寸优化相对容易。结构尺寸优化,举杆子的例子,上面杆子粗细是在发生变化,要把黄颜色传到两个柱子上,问题是在改进材料条件下,怎样能够把杆子传过去变成最小,这是优化的问题。结构形状,要找一个最优的形状,用的重量最小,材料最少。

    拓扑优化,现在通讯网里面相当大部分在做网络拓扑优化。还有连续体拓扑优化,比如说把右端载荷传到墙壁上,希望材料用得最省,是开一个孔还是开两个孔。开孔是一门学问,有一个欧洲哲学家讲,艺术就是开孔,这个话说起来荒唐,仔细想想经常见到艺术不同特点就是开了不同的孔在不同的位置。现在我们的问题就是找到最优设计方案,这就是拓扑优化,难点在于它是离散的。拓扑优化最早是在1904年提出来,到1964年提出基础结构法。我本人主要贡献是在我1980年出国学习的时候,博士论文做的是对弹性薄板优化的研究,这项工作有很多创新点,特点是网格依赖性。拓扑优化方法最早是美国教授提出来的,提出均匀化方法,我们来改造一下带孔的材料性质和孔的密度关系。如果材料比较疏松弹性就比较低,利用这一缺陷就可以看材料分布在什么地方最有利,一开始讲的材料是到处都是多孔材料,进行结构分析,分析之后可以看到什么地方的材料可以充分利用,什么地方的材料没有用。发展到现在,是自动报告什么地方开孔。结构质量最轻还有一定的刚度,这是拓扑优化最初级的方法,后来提出更简单的办法——人工密度法,一开始假定这个结构里面都是材料,密度是0.5,做结构分析之后,密度和它的弹性有简单关系,这个方法的关键一点是弹性模量和弹性密度之间的关系,密度小的材料弹性模量很低,一开始设计人员不知道在什么地方开孔,这个设计是计算机完全自动产生的。

    这类方法还是有缺点,现在新发展的方法是水平集方法,它的特点是开始开很多孔,然后让孔移动融合,最后得到最好的方案。最近我们提出基于可动变形组件的拓扑优化新框架研究,

    下面举一个简单的例子,在核泵里,有很细长的孔道要加工,但是没有加工设备,后来经过研究,在设计过程中,通过数字模拟和分析找到美国的优化设计,后来我们自己发现了又一个优化设计,采用了该技术。据了解这个产品已经生产了,我们拥有知识产权。

    第二个例子是参加数控机床重大专项做的结构优化设计。对机床设计进行了改进,主轴箱、立柱、工作台都进行了优化。跟航空工业合作,比较突出的一项工作是火箭助推器到火箭,长征五号火箭有4个助推器,推力要传到主火箭上,主火箭很薄,大吨位的力如何有效传到火箭上是很困难的事情。长征五号成果创新点其中有一点就是这个,在这方面做了大量工作,改造了优化设计的方案。

    第三个例子,是给三峡升船机提升方案设计修改,原方案是钢丝绳提升,通过用数字模拟说明这个方法不安全。钢丝绳很好,但是升船机形状是100多米长、18米宽的一个箱子,里面装满水,水是要晃的。1994年立项,十年时间一直准备钢丝集成方案,但是后来觉得这个方案不安全做了改进。

    国家软件的机遇和自主数值软件仿真平台。80年代国产软件曾经很辉煌,大连理工大学工程力学系是国产软件主要研究单位,当时曾经做过运10的全息分析,上海、辽宁的电视台,辽宁、上海的体育馆结构分析都是国产软件做的。80年代国产软件曾经风行一时,90年代开放以后国产软件就不行了,大批优秀青年学生出国,西方软件的特点是保护知识产权,但是有盗版,学生都用好了。这一类软件是非常重要,有战略地位,但是和财会软件、管理软件、游戏软件都在一个软件的支持下,还有很多重要软件。工业技术软件化的软件对于企业都是关键的装备,对于一个国家也是关键装备,这些软件不可以和游戏软件、财会软件等量看待。

    最近我看到重要行业软件平台及解决方案被列入国家信息领域需要突破的关键核心技术,并要推动计算机辅助设计和仿真等自主可控工具软件的规模应用。国产软件面临的问题是核心部门需要自主研发,企业自主创新,关键部门使用国外软件面临安全风险。这就是自主可控软件,国外软件不可控,有风险。优化设计受到青睐,队伍发展非常快,有更多的人力资源,开发软件是密集的智力劳动,现在智力劳动成本相对整个社会成本在下降,所以这是很好的机会。

    简单说一下我们学校的软件SiPESC,主要特点是开放,可以集成。国外软件有不同的功能,可以集成到该平台上。这个平台有自己的软件,但是也可以和别的软件集成一起完成任务,另外可以提供解决方案。这是我们软件的优点,最大长处是有强大优化功能,结构的拓扑优化。这一款软件并不在市场上销售,很大一部分系定制软件,以企业的需求来定制。这是系统可靠性,这是我们推广发展的技术。

    现在新产品开发和创新以及已有产品质量提高需要具备产品性能分析和优化的能力。数值模拟和优化设计也是当下的主题,CAE软件可以帮助企业缩短新产品开发周期,减少开发费用,从根本上提高竞争能力。

    数值模拟和优化设计是制造信息化和数字化不可或缺的部分。我理解的数字化是很基础的东西。因为计算机就是0和1,所以什么东西都要数字化。数值模拟和仿真就是数字化的强大工具。制造要更科学更定量化的发展,制造行业要有追求更科学的、更定量化的软件,才能不断发展和进步。

责任编辑:王继宏
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