航天器結構設計與分析軟件發(fā)展

趙勝璞， 王睿青， 張曉天， 金 平， 蔡國飆

（北京航空航天大學宇航學院， 北京 100191）

1 引言

計算機發(fā)展至今，其在體積、可靠性以及運算速度上不斷提升。 尤其是自1964 年集成電路數(shù)字機的誕生以來，實現(xiàn)了每秒數(shù)百萬次至數(shù)千萬次的計算，這使得利用計算機對航天器的結構設計與分析成為可能。 這一階段，NASA 等為首的航天工業(yè)部門，開始利用計算機編寫程序，為復雜結構的設計與分析提供便利，在降低成本的同時大大提升了航天器設計的效率。

一款航天器的設計包括三維設計與仿真分析兩大功能模塊。 盡管目前各主流工業(yè)軟件均已具備這兩大功能，但根據(jù)其發(fā)展脈絡與側重方向，仍可依據(jù)主要功能將軟件分為結構設計軟件與仿真分析軟件。

航天領域常用的結構設計軟件包括Creo（Pro／E）、CATIA、SolidWorks 等。 軟件以計算機輔助設計為主要功能，兼具部分力學仿真和優(yōu)化功能。 同時，軟件在功能上各具特色，在不同的領域發(fā)揮特長。 Creo（Pro／E）是美國參數(shù)技術公司（PTC）旗下的一款產品，以參數(shù)化建模著稱，在三維設計軟件中占據(jù)重要地位，在各國的航空航天領域應用廣泛。 CATIA 最初由航空制造業(yè)發(fā)展而來，是法國達索公司旗下的三維設計軟件，在航空業(yè)、汽車業(yè)等領域應用廣泛［1－2］。 目前，該軟件逐漸被應用至運載火箭的設計工作中。 SolidWorks 發(fā)展于1993 年，與CATIA 同為法國達索公司旗下的三維設計軟件。 相較于CATIA，該軟件功能較為完善，具備復雜結構設計能力，中國科研部門曾將其作為航天器設計的主要軟件［3］。

對于仿真分析軟件，常用軟件包括Nastran（前處理軟件Patran）、ANSYS、ABAQUS 以及ADAMS 等。 該類軟件以仿真分析為主要功能，兼具基礎三維設計功能。 目前，可對結構進行靜力學分析、結構動力學分析、非線性分析、熱分析、電磁分析、流體動力學分析、聲學分析、壓電分析等。同時，軟件還在復合材料、多場耦合、增材制造、系統(tǒng)工程等領域不斷擴寬其應用領域。 各軟件針對優(yōu)勢領域各具優(yōu)勢：Patran／Nastran 主要應用于航空航天領域［4－6］；ANSYS 通過并購的方式，利用Workbench 平臺整合各個功能，適應更多仿真領域［7－9］；ABAQUS 具有更加強大的二次開發(fā)能力，在學術界應用廣泛［10－11］；ADAMS 在多體動力學領域表現(xiàn)優(yōu)秀，對復雜航天器機構的設計具有一定優(yōu)勢［12］。

中國工業(yè)建模與仿真技術起步較晚，制造強國戰(zhàn)略提出后，自主軟件的開發(fā)與應用逐漸受到重視。 目前，一批自主研發(fā)的國產工業(yè)軟件已經走入高校、科研院所以及市場。 但是，由于發(fā)展周期短、功能不完善、操作不便等因素，產品在實際應用時具有一定的局限性。 這使得國產軟件并沒有廣泛應用于國內的航天領域。 在大國工業(yè)與科技的競爭背景下，國產工業(yè)軟件的發(fā)展與應用迫在眉睫。

針對以上問題，本文首先對以上提到的應用于航天領域的主流軟件進行綜述；然后介紹了國內外航天裝備領域相關軟件應用情況，對比了國內外相關軟件的功能，最后對中國航天器設計與分析軟件發(fā)展途徑進行了探討。

2 通用軟件調研

目前，中國航天部門主要以CATIA、Creo 與Patran／Nastran 等軟件作為其結構設計與仿真分析工具。 下面，將分別介紹其發(fā)展歷史、主要功能與發(fā)展趨勢，為中國自主開發(fā)應用于航天領域的工業(yè)軟件提供一定借鑒。 同時，介紹目前國內工業(yè)軟件發(fā)展現(xiàn)狀，總結國內外軟件的發(fā)展趨勢。

2.1 CATIA 軟件

CATIA 研制于1981 年，是法國達索公司開發(fā)的三維設計軟件。 發(fā)展至今，軟件作為產品生命周期管理的一環(huán)，支持從結構設計、分析、CAM（Computer Aided Manufacturing）制造的全部工業(yè)設計流程。 根據(jù)其發(fā)展脈絡、功能拓展與發(fā)展趨勢情況，其發(fā)展歷史大致可分為4 個階段：初期立足時期、發(fā)展完善階段、功能拓展階段以及新體系探索階段，發(fā)展歷程如圖1 所示。

初期立足時期，自軟件開始研制至20 世紀90 年代末。 此階段軟件在三維設計的基礎領域不斷完善功能。 同時，為滿足航空領域和汽車行業(yè)的設計需求，軟件不斷完善其制圖能力：由最初的曲線設計到曲面設計，再到具備體積設計能力，由一維制圖向三維制圖發(fā)展。 至1980 年代末，已有美國波音公司、德國戴姆勒－奔馳汽車、日本本田汽車等公司將其作為CAD（Computer Aided Design）軟件進行輔助設計工作。

發(fā)展完善階段自20 世紀90 年代末至21 世紀初。 該階段軟件不斷擴展其三維設計能力并開始強調自頂向下的設計。 與此同時，軟件發(fā)展其自適應參數(shù)驅動功能，能夠根據(jù)提供的驅動參數(shù)自動修改已有的參數(shù)化模型，生成新的模型。 軟件在機電協(xié)同領域、管路線路設計、精密加工領域亦不斷發(fā)展。

功能拓展階段自21 世紀初至2010 年，該階段CATIA 發(fā)展其仿真功能。 此階段，軟件由此前單一的三維設計功能，逐漸發(fā)展成為具備靜力分析、結構動力學分析、熱分析等多種仿真分析功能的設計仿真一體化軟件。 自2010 年至今為軟件的新體系探索階段，軟件在增材制造、多學科耦合設計、生命周期管理（PLM）、基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）等領域得到長足發(fā)展。 此階段，CATIA更加注重對復雜系統(tǒng)的管理等能力的提升。

發(fā)展至今，CATIA 軟件由功能有限、運行環(huán)境單一的軟件逐步向多功能、多協(xié)同軟件發(fā)展。由于CATIA 自身的諸多優(yōu)勢，中國部分航天科研院所與高校將其應用于航天器、運載器的結構設計中，目前已與航天領域建立起了密切的聯(lián)系。例如，葛哲學等［13］利用CATIA 建立了航天員人體模型，同時進行了姿態(tài)仿真。 蔡亞寧等［14］利用CATIA 對星罩對接后星表插頭操作空間的人機工程模擬技術進行研究，為航天器的設計提供依據(jù)，具體應用見圖2。

圖2 基于CATIA 的衛(wèi)星結構設計Fig.2 Satellite structure design based on CATIA

2.2 Creo 軟件

Creo 是美國參數(shù)技術公司（PTC 公司）旗下的一款三維設計軟件。 該軟件于2009 年開始研制，于2011 年發(fā)布其初代版本。

功能上，該軟件繼承了不再更新的Pro／E，同時整合了CoCreate 的直接建模技術和Product-View 的三維可視化技術。 作為Creo 的前代版本，Pro／E 首次提出參數(shù)化設計的概念，采用模塊化方式進行設計。 基于單一數(shù)據(jù)庫，易于產品的迭代優(yōu)化。

目前，軟件在具備基本的二維、三維制圖功能的基礎上，還能夠進行諸如力、熱學的仿真。 2022年5 月4 日，PTC 推出了最新版本Creo 9。 軟件在核心建模環(huán)境、多物理場仿真、基于模型的設計、人體工學以及增／減材制造方面繼續(xù)發(fā)展。2023 年5 月17 日，PTC 公司發(fā)布了Creo＋和Creo 10。 其中，Creo＋與“云工具”相結合，加強協(xié)作并簡化CAD 的管理能力。 發(fā)展至今，Creo 集成了多個應用程序，覆蓋產品開發(fā)的全過程，主要應用程序如表1 所示。 作為一個可伸縮的CAD 軟件，具備2 D 概念設計、柔性建模、自由曲面設計、高級渲染以及逆向工程等相關功能。

表1 Creo 主要應用程序Table 1 Creo’s main applications

目前，該軟件以及前代版本Pro／E 是中國國內航天院所與高校主要應用的航天器三維設計軟件，實現(xiàn)對航天器的電纜布線［15］、低溫系統(tǒng)［16］、衛(wèi)星屏蔽［17］等的相關設計工作。

2.3 Patran／Nastran 軟件

Nastran 是一款大型應用有限元分析軟件，而Patran 是其配套的前處理軟件。 該軟件最初于1966 年在美國政府對航空航天工業(yè)的資助下為美國國家航空航天局開發(fā)，具體應用如圖3 所示。

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

1964 年，NASA 在對結構動力學年度研究計劃進行審查時，發(fā)現(xiàn)其不同部門正開發(fā)各自的適應自身需求的結構分析軟件。 有關部門認為應當開發(fā)一款通用軟件，Nastran 由此產生。 該軟件主要由FORTRAN 語言編寫，模塊是FORTRAN 子例程的集合。

20 世紀90 年代，軟件通過引入動態(tài)非線性仿真、流固熱耦合，以適應建筑、汽車等更多領域的仿真需求。 自20 世紀90 年代至2010 年前后，為軟件的功能拓展階段。 此階段，軟件不斷增強其仿真功能，新增嵌入式疲勞分析功能、外部超單元技術以及高強復合材料分析技術。 近年來，軟件又在耦合實模態(tài)分析、振動聲學分析、結構動力學問題、隱式非線性問題的仿真分析上不斷增強。目前，Nastran 的商業(yè)版本有MSC 公司的MSC Nastran，NEi 軟件公司的NEi Nastran 以及西門子公司旗下的NX Nastran，各軟件之間沒有本質區(qū)別。

Patran／Nastran 已成為國內外航天科研部門和高校首選的結構設計和分析軟件。 為驗證發(fā)動機能否在機身力學環(huán)境下正常工作，波音公司利用Nastran 對發(fā)動機進行了靜力學仿真和振動分析，如圖4 所示。 靜力學仿真包括對發(fā)動機自重、沿周向推力、轉子慣性以及飛機俯仰角的仿真分析，而振動仿真則綜合考慮了飛機在受風載荷、湍流等的影響。 美國國家航空航天局對詹姆斯·韋伯望遠鏡進行了全局模型的建模，并利用Nastran軟件進行靜力學、結構動力學以及熱載荷仿真，以驗證結構的可靠性。 張立新［18］在對探測一號科學探測衛(wèi)星的結構分析中，利用Nastran 對整星進行了靜力計算、穩(wěn)定性分析以及頻響分析。 林輕等［19］利用Patran 建立了月球著陸器全機柔性體模型及月壤柔性體模型。 劉元等［20］利用Patran建立了SPORT 衛(wèi)星子星的有限元分析模型，隨后利用Nastran 對子星與母星進行了相關仿真分析。

圖4 波音公司利用Nastran 對飛機發(fā)動機進行仿真分析Fig.4 Boeing uses Nastran for aircraft engine simulation

2.4 國產軟件

隨著國家軟件發(fā)展戰(zhàn)略發(fā)布實施，國內基礎科學領域、工業(yè)軟件的開發(fā)成為國家戰(zhàn)略。 借助一系列政策，自研大型CAD、CAE 軟件已經具備較為完整的功能。 諸如CAXA3D 等國產軟件已投入實際的工程應用中［21］。

目前，中國部分自研軟件諸如中望CAD、Simdroid、CAXA 等軟件已經具備了完善的2D、3D 的全參數(shù)化建模功能，能夠完成對諸如航空發(fā)動機等部分航空航天設備的建模；部分軟件具備各種單元的網格剖分功能，同時能夠做到對網格的精細化操作；具備求解分析功能：支持靜力分析、模態(tài)分析、非線性分析、流體力學分析、電磁場分析、熱力學分析等，基本能夠達到國際通用軟件的功能；同時，部分軟件還支持用戶的二次開發(fā)功能［22－23］，基本能夠滿足航空航天領域的定制化需求，提高結構設計效率。

具體而言，中望CAD 初期發(fā)展于中國建筑領域，之后不斷完善、豐富其功能，逐漸應用于更加廣泛的領域。 目前，中望3 D 三維建模軟件已具備了實體建模、曲面造型、裝配設計等較為完善的混合建模能力。 同時，該公司開發(fā)了國產CAE 軟件集成開發(fā)平臺ZWMeshWorks 以及結構、電磁仿真軟件，具備基礎的仿真分析能力，基本形成了設計與分析的全流程設計鏈。 Simdroid 發(fā)展于2014年，是一款國產自主開發(fā)的通用多物理場仿真軟件，擁有單一物理場及多物理場耦合仿真內核。發(fā)展至今，軟件具備CAD 建模能力、網格剖分功能、求解分析功能以及后處理功能。 同時，該軟件支持APP 開發(fā)功能。 CAXA 是一套面向工業(yè)的三維設計軟件，包含了三維建模、協(xié)同工作和分析仿真的功能，能夠進行結構、熱與流體仿真分析。

但是，受制于國內工業(yè)軟件基礎薄弱、研發(fā)起步較晚、研發(fā)周期較長以及未及時受到重視等因素，各國產工業(yè)軟件仍存在一定的短板。 中望3D雖然在實體曲面混合建模技術上具備一定優(yōu)勢，但其在復雜航天器建模功能方面并無相關應用案例，有進一步提升的空間。 CAXA 能夠兼容Auto-CAD 的數(shù)據(jù)，建立的模型能夠符合國標模板庫，但是在核心建模領域存在一定的操作不便利性。Simdroid 軟件具備仿真APP 開發(fā)、云仿真等先進仿真理念，而在非線性分析功能方面、求解效率方面仍需進一步提升，如表2 所示。 國產軟件應針對性地在對應短板處進一步發(fā)展。

表2 國產部分軟件發(fā)展情況Table 2 Development of some domestic software

在進入21 世紀后，部分國產軟件由于缺乏資金支持等原因，生存狀況難以維系。 清華英泰（清華大學開發(fā)）、凱思軟件（中國科學院大學開發(fā)）、必杰克軟件（南京航空航天大學開發(fā)）以及金銀花（北京航空航天大學開發(fā)）等CAD 軟件已鮮有報道，如表3 所示。 同時，在行業(yè)內并未形成以國產設計與分析軟件為中心的軟件使用標準，企業(yè)不愿輕易改變使用現(xiàn)狀，也是制約國產軟件投入實際設計生產的一大阻力。

發(fā)展至今，受制于以上客觀因素，國產軟件占市場份額整體較少。 只有中望系列軟件在建筑領域占據(jù)較高份額，而本文關注的航天領域則主要應用Creo 與CATIA 等國外軟件，如圖5 所示。

圖5 CAD 軟件國內份額占比情況Fig.5 Share of CAD softwares in China

經分析，制約國產軟件發(fā)展的因素有以下幾個：①國產工業(yè)軟件發(fā)展起步晚，基礎薄弱，該短板未及時受到應有的重視；②國內未形成知識產權的全閉環(huán)保護，存在大量的盜版軟件；③在各行業(yè)領域無強制性軟件使用標準，各工業(yè)系統(tǒng)依照內部傳統(tǒng)使用相關美國、法國等功能更加成熟的工業(yè)軟件；④雖有部分國產軟件達到企業(yè)使用標準，但企業(yè)不愿投入學習成本、不愿改變現(xiàn)狀，在一定程度上也制約了國產軟件的進一步市場化；⑤相對于其它軟件，工業(yè)軟件研發(fā)周期長、技術壁壘高、資金投入大、成本回收慢等特點，制約了市場對其的關注與外部資金的注入。

2.5 通用軟件發(fā)展分析

對國內外工業(yè)軟件的發(fā)展沿革、主要功能及發(fā)展趨勢進行調研，通用軟件具有以下特點：

1）CAD 軟件不斷完善仿真分析功能。 對于SolidWorks、Inventor 等大型CAD 軟件，在增強三維建模能力的同時不斷完善仿真分析功能，目前已能夠實現(xiàn)例如靜力分析、模態(tài)分析、多場耦合分析等功能，有效提升了結構的設計迭代效率。

2）CAE 軟件不斷完善三維設計能力。 目前，大型CAE 軟件諸如ANSYS、ABAQUS 等已具備基礎的三維繪圖能力。 對于基本的結構設計，可在一個軟件內完成設計與分析的閉環(huán)。 同時，軟件不斷提升其三維設計能力，提升設計效率。

3）工業(yè)軟件向上下游發(fā)展。 無論是結構設計軟件還是仿真分析軟件，均以其為核心，向產品的上下游拓展，實現(xiàn)諸如產品的CAM 制造設計、生命周期管理、面對復雜系統(tǒng)的系統(tǒng)工程等。

4）軟件間的互聯(lián)互通與二次開發(fā)。 目前，部分大型商業(yè)軟件間支持統(tǒng)一文件傳輸格式并互留接口，能夠充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢，達到互補。 軟件還為個人二次開發(fā)預留接口，能夠充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢并提高用戶使用效率，國內一些軟件目前已支持這一功能。

5）國內商業(yè)軟件現(xiàn)狀。 國內CAD 軟件早期服務于建筑等特定行業(yè)，例如中望CAD 等軟件在其特色領域占據(jù)主導優(yōu)勢地位，但是在航空航天領域并沒有國內特色商業(yè)軟件。 而在部分科研院所與高校中，研發(fā)出了滿足自身需求的仿真分析軟件。 但由于適用面窄，不易操作以及缺乏資金支持等原因，自研軟件影響范圍小，無法實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)，影響了軟件的進一步發(fā)展。

3 航天領域軟件應用現(xiàn)狀

在地球大氣層以外，按照天體力學的規(guī)律運行的各類飛行器，小至微小衛(wèi)星、大至中國空間站，均屬于軌道飛行器的范疇；而運載器指的是能夠將有效載荷運送到太空預定軌道、從太空某位置運送回地面或者至太空另一位置的運載工具的統(tǒng)稱，主要包括一次性使用運載火箭、部分重復使用運載器和完全重復使用運載器。 本節(jié)將以軌道飛行器和運載器為對象，介紹其設計所需的軟件和發(fā)展趨勢。

3.1 國外商業(yè)軟件應用

在衛(wèi)星平臺的設計中，較為常用的前處理及有限元軟件為Patran／Nastran。 該軟件能夠實現(xiàn)對結構的結構設計、靜力學分析、模態(tài)分析以及振動頻響分析等。 同時，在對精度要求較高的零部件進行仿真時，采用Hypermesh 軟件對結構進行網格剖分。 該軟件具有的強大的有限元網格劃分前處理功能。 在對航天器結構進行諸如沖擊問題、超高速碰撞等非線性力學分析時，采用ABAQUS、LS-DYNA 軟件進行非線性力學分析。前者具有復雜非線性問題的處理能力，后者則在沖擊動力學問題上具有顯著優(yōu)勢。 例如，龐彧等［24］提出了一種用于深層月壤樣品采集的、具有同軸雙管單動鉆具和柔性取樣袋的鉆取式自動采樣機構設計方案， 利用力學仿真分析軟件ABAQUS 建立了月壤和鉆具的力學模型，對鉆具鉆入月壤過程進行了結構動力學仿真。 李怡晨等［25］利用ABAQUS 對碳纖維增強硅橡膠TWF 復合材料進行了力學性能的研究。 仝照遠等［26］通過ABAQUS 對空間可展開薄膜的展開過程進行模擬，并進行應力水平分析。

在空間機構的設計中，主要包含星艦對接、在軌對接、伸展機構、太陽翼帆板等相關設計工作，涉及的軟件包括Patran／Nastran、Pro／E、ADAMS等。 Pro／E 是美國參數(shù)技術公司（PTC）旗下的一款CAD／CAE／CAM 一體化三維軟件，以參數(shù)化建模技術著稱。 翟茂春等［27］利用Pro／E 及Patran軟件對航天器進行參數(shù)化建模及網格劃分。 ADAMS 是美國MSC 公司旗下的多體動力學仿真軟件，能夠對多剛體系統(tǒng)進行結構動力學分析。 李隆球等［28］設計了一種三臂型非合作目標衛(wèi)星對接機構并用ADAMS 進行了對接仿真。 黃俊等［29］采用結構動力學仿真軟件ADAMS 對著陸器在虛擬月表地形上的穩(wěn)定著陸概率進行仿真計算。

在中國空間站的設計中，涉及對空間站的構型、艙內設備、機械臂、動力控制等方面。 科研人員主要應用了Pro／E、ADAMS、Patran／Nastran 等軟件輔助其設計工作。 例如，葛東明等［30］利用ADAMS 軟件對空間站艙體大范圍剛體運動、太陽翼振動、機械臂臂桿振動、關節(jié)結構動力學特性等進行仿真分析。

在運載器的設計中，包括了對發(fā)動機、火箭整體結構、噴管等關鍵部件的結構設計與振動分析、頻響分析、流體力學分析等，主要應用ANSYS、Patran／Nastran、ABAQUS 等軟件。 樂晨等［31］提出了一種基于ABAQUS 殼模型的高精度貯箱的建模方法，運用隱式算法進行了仿真分析。 楊琨等［32］利用Pro／E 與ANSYS 對固體火箭發(fā)動機滑塊與殼體連接結構進行了優(yōu)化設計。

目前，中國科研院所已將主流商業(yè)軟件融入其對軌道飛行器、運載器的設計與分析工作中。這些軟件的成功應用，較為顯著地提高了航天器結構的設計效率、可靠性，降低了設計迭代成本。同時，應用商業(yè)軟件最新的優(yōu)化、聲學、電磁分析等功能，相關設計工作具備了更加可靠的仿真結果支撐。

3.2 國內軟件應用

目前，中國部分科研院所、高校已發(fā)展出適用于特定航天領域的專用軟件。

北京航空航天大學宇航學院蔡國飆團隊基于直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法，開發(fā)出了用于航天器羽流效應分析的真空羽流軟件，如圖6 所示。 該軟件依據(jù)模塊化設計的原則，引入面向對象的編程思想和具備較強通用性的粒子邊界處理模塊，實現(xiàn)了PWS 軟件在羽流模擬計算的通用化［33］。

圖6 真空羽流軟件仿真結果Fig.6 Simulation results of vacuum plume software

大連理工大學陳飚松團隊開發(fā)出了結構有限元分析與優(yōu)化軟件SiPESC，已成功應用于天文一號火星車等航天裝備的相關設計工作中［34］。 該軟件具備以下五大功能：①集成開發(fā)環(huán)境；②面向系統(tǒng)集成的活動流程圖定制工具；③工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；④開放式結構有限元分析系統(tǒng)；⑤集成優(yōu)化計算系統(tǒng)。 通過對某衛(wèi)星平臺組件修正、神舟飛船返回艙結構分析與優(yōu)化等相關工作的開展，驗證了軟件的可靠性。

清華大學計算動力學研究室開發(fā)出了無網格物質點法計算軟件MPM3D，能夠對結構受強沖擊下的大變形破碎問題進行模擬［35］。 該軟件自2004 年研發(fā)，目前支持多種求解器求解和材料模型的自開發(fā)功能。

中國空氣動力研究與發(fā)展中心開發(fā)了基于SPH 與歐拉算法的超高速撞擊模擬軟件，為航天器防護結構的設計提供依據(jù)［36］。 PTS 軟件基于SPH 方法，能夠對超高速碰撞等相關問題進行求解。 NTS 軟件基于歐拉方法，利用二階差分算法進行求解，擁有豐富的本構模型和狀態(tài)方程庫，可以有效模擬各類碰撞、沖擊和爆炸問題。 目前，科研人員基于開源ParaView 軟件，完成了前后處理軟件的開發(fā)工作，形成閉環(huán)。

這些軟件由基礎功能不斷發(fā)展完善，后擴展至相關領域，在求解算法和適用范圍上不斷提升。但是，相較于主流國際軟件，這些軟件推廣程度有限，并未完全實現(xiàn)商業(yè)化，各軟件特點如表4所示。

同時，以高校為主力，也開發(fā)出了基于不同軟件平臺的二次開發(fā)軟件。 北航空天所、宇航推進系等單位先后為航天部門提供了多種二次開發(fā)軟件，為航天器的結構設計提供相關指導，如表5 所示。 但是這些軟件僅限合作科研部門使用，市場推廣程度幾乎為零。 同時，各個科研院所之間也無法很好的實現(xiàn)軟件共享，限制了航天領域內軟件的通用化，降低了設計部門的工作效率。

表5 部分國產二次開發(fā)軟件Table 5 Some domestic secondary development software

其中，基于Pro／E 開發(fā)的結構模型輕量化軟件用于在3 D 模型中去除螺紋孔、倒角等細節(jié)，服務于有限元分析；基于MATLAB 開發(fā)的火箭載荷分析軟件用于計算火箭飛行、放置和吊裝的內部載荷分布；基于ISIGHT＋ANSYS＋MATLAB 開發(fā)的可靠性分析軟件用于多失效模式下的結構可靠性分析；基于NASTRAN 開發(fā)的衛(wèi)星結構主振動控制仿真軟件用于對衛(wèi)星模態(tài)模型進行主動振動控制仿真。

與此同時，NASA 也公布了應用于航天結構領域的諸多小型專用功能仿真軟件，軟件數(shù)量較大。 其中，絕大部分軟件僅限美國申請使用，如表6 所示。

表6 NASA 專用軟件名錄Table 6 NASA specialized software directory

NASA 作為總體行政科研機構，負責將各部門使用的小型專用軟件進行匯總，為不同學科的各科研人員提供統(tǒng)一的軟件供應渠道。 而中國則缺乏執(zhí)行相關職能的部門，各小型軟件分散于各專業(yè)領域的不同負責人手中。 這使得各科研院所間無法高效地達成技術共享，限制了航天器的設計與迭代效率。

3.3 趨勢分析

首先，主流商業(yè)CAD 軟件不斷拓展應用廣度，向結構設計的上下游拓展，力圖形成全產業(yè)鏈的應用輻射；而主流商業(yè)結構分析CAE 軟件不斷加強其應用縱深，在軟件的算法方面不斷優(yōu)化，強化分析功能和協(xié)同工作能力；同時，新理論和新技術的應用不斷為設計分析過程帶來變革。

其次，對于國產通用軟件，軟件在復雜系統(tǒng)建模、多場耦合仿真與集成協(xié)同仿真方面有待增強，目前不能完全滿足復雜航天裝備系統(tǒng)結構設計與分析的要求。 同時，軟件在計算精度、計算效率方面與國際先進水平存在一定差距。 國產大型專用軟件在針對某些難點問題形成了較為完整的解決方案，但是其在用戶交互性、易用性方面還有提升空間，同時有限的市場應用空間無法為其提供長期維護和持續(xù)發(fā)展的進一步資金支持。 國產專用小型軟件通過先進算法或定制功能提升設計分析效率，專用性強，目前國內已積累了一定數(shù)量的此類軟件，但是這類軟件在復雜對象適用性，可持續(xù)更新維護方面仍需提升。 國產專用二次開發(fā)軟件主要應用于特定對象，各航天部門、高校間無法達成二次開發(fā)軟件的技術共享。

4 航天器設計與分析軟件發(fā)展途徑

對于航天軌道飛行器、運載器，在設計時需要充分考慮其結構復雜性，在分析時需要考慮其在發(fā)射過程中的過載、振動響應，在軌運行時的機構多體動力分析、各設備的電磁屏蔽分析等一系列復雜工況。 這類復雜對象的軟件開發(fā)工作需充分考慮物理模型的復雜程度，豐富軟件在靜力學、結構動力學、結構優(yōu)化、振動分析、聲學分析、電磁分析以及多場耦合等更多領域的仿真分析功能，不斷提升對象對求解難度和精度不斷提高的要求。

目前，中國已開發(fā)的CAD／CAE 軟件在建模、仿真分析方面與世界主流商業(yè)軟件存在一定的差距。 對于CAD 軟件，國產軟件在核心建模功能、復雜模型建模領域不能完全滿足復雜航天裝備系統(tǒng)結構設計的要求，在對結構中的精細零部件建模時存在一定的困難。 對于CAE 軟件，國產軟件在計算精度與效率、復雜系統(tǒng)適用性、多場耦合、集成協(xié)同仿真方面有待增強。 軟件應充分考慮相關飛行器總體部門、航空航天高校的需求，在通用平臺上提供適用航天裝備系統(tǒng)的更為復雜的建模手段，豐富力學、振動分析、結構優(yōu)化的仿真功能。同時，應當整合現(xiàn)有國產小型專用軟件以及二次開發(fā)軟件，便于各部門之間的技術溝通。

同時，隨著制造強國戰(zhàn)略在我國的不斷深入，目前已經積累了一定數(shù)量的國產工業(yè)軟件。 但是，對這類軟件的客觀評價標準體系尚缺乏討論。 面對這一情況，應當首先對不同國產軟件的易用性、功能完備性、設計理念先進性等方面進行綜合考量。

CAD 軟件依據(jù)核心建模能力可分為基礎功能、進階功能與高級功能。 其中，基礎功能包含二維工程制圖與常規(guī)模型設計；進階功能包含曲面設計、復雜管線布置與多物理場仿真；高級功能包含增材制造、數(shù)字孿生與產品生命周期管理相關功能。 基礎功能的實現(xiàn)使軟件具備一定程度的實用性，基本滿足工業(yè)生產需求；高級功能的實現(xiàn)使軟件在面對諸如航天器關鍵零部件復雜產品結構時，建模結果具有可靠性，且能夠完成單一平臺設計仿真一體化，加快產品迭代效率；高級功能覆蓋目前國際主流CAD 軟件的發(fā)展趨勢，該功能的實現(xiàn)能夠滿足最新的工業(yè)制造工藝需求、產品的全流程建模以及全流程管理。

目前，中國尚未形成類似ANSYS 的大型集成多物理場仿真平臺。 考慮實際情況，涉及結構分析的CAE 軟件在前期發(fā)展階段應該能夠在至少一個物理仿真環(huán)境中占據(jù)優(yōu)勢，采取深度優(yōu)先的策略。 對CAE 軟件的客觀評價標準也應以軟件在特定仿真領域的算法準確度與深度為評價標準。 在后期發(fā)展階段，考慮引入對CAE 軟件的復雜環(huán)境仿真、多物理場耦合仿真的評價體系。

在發(fā)展途徑方面，在第一階段，可在已開發(fā)的國產CAD 軟件中選擇一款，完善并豐富其針對航天裝備系統(tǒng)的建模功能；而針對CAE 軟件，可對國內幾款仿真軟件功能進行相關整合，優(yōu)勢互補，建立仿真領域更加豐富的統(tǒng)一仿真平臺。 在第二階段，可在CAD 軟件中提升針對軌道飛行器、運載器的諸如曲面、管道以及復合材料等的三維設計能力，不斷增強優(yōu)化功能；而在CAE 軟件中，完善航天領域的材料模型庫并增強仿真模塊，實現(xiàn)各類耦合場、復合材料等的分析求解。 在第三階段，整合已建立的CAD、CAE 軟件，建立兩者數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一格式，嘗試形成統(tǒng)一設計與分析的統(tǒng)一平臺。 完善基于模型的系統(tǒng)工程、3 D 打印、數(shù)字孿生等先進技術，建立針對復雜航天裝備系統(tǒng)設計的全流程軟件支持，流程圖如圖7 所示。

圖7 中國CAD／CAE 軟件發(fā)展流程建議Fig.7 Suggestions for the development process of Chinese CAD／CAE software

5 結語

工業(yè)CAD／CAE 軟件作為結構設計與分析中不可或缺的一環(huán)，在當前十分重要且廣泛應用于航天器設計工作的計算機輔助工具。 對比發(fā)現(xiàn)，國產自主工業(yè)軟件與世界主流工業(yè)軟件在復雜系統(tǒng)適用性、多物理場耦合仿真、集成協(xié)同仿真等諸多方面存在較為明顯的差距，不能滿足復雜航天裝備系統(tǒng)結構設計的要求。 目前在高校與科研院所中，仍采用國外工業(yè)軟件進行航天器結構設計工作。 隨著航天事業(yè)的發(fā)展，相關工作必將對科研人員提出更高的要求，工業(yè)軟件的重要性不斷提升。 因此，應推進、建立并執(zhí)行對國產軟件長期運行維護的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，推進國產工業(yè)軟件的進一步發(fā)展，為航天技術的發(fā)展提供有力支持。