華為芯片的斷供危機，讓更多人關注到了國產自研產品發展的艱難與緊迫。芯片領域之外，工業軟件也一直是發生“卡脖子”問題的“重災區”。今天，我們聚焦工業軟件皇冠上最亮的明珠——CAE軟件。

CAE軟件介紹

CAE（Comouter Aided Engineering），即計算機輔助工程，是廣泛應用于工業制造業產品研發設計過程中的一種技術軟件。CAE以實體建模為基礎，在產品設計階段開始，通過模擬產品在結構強度、熱傳導、剛度、運動學等方面的工作狀態和表現，為產品功能、性能的可用性和可靠性提供依據，從而實現產品設計的優化。目前CAE已廣泛應用于汽車、航空航天、電子裝備、國防軍工等領域。

以航空行業為例，航空結構分析CAE軟件作為航空裝備研制過程中不可或缺的工具之一，已經融入到航空裝備設計、制造、試驗和服役等全生命周期中，應用于結構方案優化、響應分析、工藝仿真、強度評估和修理方案評價等多個應用場景，用于解決裝備研制過程中面臨的結構完整性問題。

具體來說，在飛行器的概念設計階段需要建立結構的低保真度數字模型，進行靜強度和氣動彈性的分析，得到結構的傳力路徑，為結構方案選型提供依據；在初步設計階段需要建立中等保真度模型，進行靜強度、動強度、氣動彈性、疲勞強度和優化設計，確定基本尺寸分布；在詳細設計階段需要建立高保真度模型，進行關鍵區域連接強度、細節疲勞壽命和工藝符合性分析；在試驗驗證階段需要建立虛擬試驗模型，進行虛擬加載和虛擬測量，預估試驗中出現的各種情況；在制造裝配階段需要建立超差和裝配數字模型，來保證加工和大部件對接的精度；在試飛服役階段需要建立虛擬試飛模型，進行故障復現模擬和關鍵部位壽命評估。

上述模型的建立與分析均需依賴CAE軟件來實現，它是裝備研制的根本保障，對于提升裝備性能、縮短研制周期、降低研制成本起到了關鍵作用。

CAE軟件自主可控的重要性

CAE軟件是進行創新技術研究和攻關的重要工具。 數值模擬與理論研究、物理實驗并稱“創新三架馬車”，CAE軟件作為重要的數值模擬工具，可以輔助科學家、工程師揭示物理實驗手段尚不能揭示或很難揭示的科學規律。此外，CAE軟件還可為新材料和微結構（納米材料、碳纖維）設計、新結構（仿生結構、柔性結構和智能結構）設計、新技術（虛擬試驗技術）研究提供可靠的依托平臺。

CAE軟件是實現智能制造的關鍵支撐。 在數字化方面，CAE軟件是未來航空裝備仿真模型校核與驗證(V＆V)及數字化驗證流程中的基礎手段；在網絡化方面，CAE軟件是實現未來“5G＋制造”的關鍵工具，通過未來軟件提供的云仿真、模型修正、數據擬合、可信度分析等技術手段，可實現結構平臺的全狀態數據實時收集和結構的實時評估，支撐智能制造的網絡化實現；在智能化方面，CAE軟件通過構建系列包含智能特征的數字化模型，建立物理空間與數字空間的實時數據映射和反饋預測優化，實現參數智能匹配、實時智能判據和智能預警，支撐工業制造中的智能化特征轉型。

自主CAE軟件是實現裝備研制自主可控的必要手段。目前國內使用的CAE軟件，絕大部分依賴進口，整體對外依存度較高；國內現有的CAE軟件，在功能覆蓋性、分析規模和效率、架構開放性和應用可靠性方面與國外還存在一定差距，無法完全替代國外軟件，一旦遭到國外全面封鎖，中國裝備研制將面臨著技術停滯的巨大風險。

此外，CAE軟件是工業經驗與知識的載體，完全依賴國外軟件無法將中國裝備研發的經驗、大量工業數據與知識積累到軟件中，造成大量浪費，不利于持續發展和創新。因此，在裝備全面創新研制的新時代，實現CAE軟件的自主可控，對推動裝備創新升級和保障裝備研制體系安全具有重要的戰略意義。

“神工坊”高性能仿真應用研發服務

面對時代賦予的機遇和挑戰，國家超級計算無錫中心“神工坊”團隊，秉持“算力賦能、協同創新”的理念，提供高性能仿真應用研發服務，基于客戶需求，以商業軟件、開源軟件及自研軟件為基礎，針對客戶實際工作場景，開發定制化高性能仿真應用，賦予其高保真仿真能力的同時，具備友好的用戶使用體驗。

仿真的本質是物理建模與模擬計算，其底層主要的數學方法是控制方程數值離散和求解。基于國產超級計算機，“神工坊”團隊開發了一系列數值計算方法庫，以超大規模非結構代數求解庫UNAP（點擊了解詳情）為代表。

代數求解庫UNAP的組織架構

UNAP根據國產超算異構處理器異構特點，開發了計算/通信混合的迭代算法，根據異構眾核處理器浮點計算性能高而帶寬受限的特點，通過增加計算比例來降低全局集合通信代價的計算方法；集成了高可擴展矩陣預處理方法，結合異構眾核處理器多級并行的特點和稀疏矩陣迭代解法的需求，初步探索了各種預處理方法在眾核異構平臺上的并行實現技術。目前UNAP已經在神威·太湖之光上實現了對美國國家實驗室Hypre、PETSc等代數求解庫的國產替代。

這些自主可控的中間件構成了支撐工業高保真數值模擬的底層支撐，并可以自動實現高保真數值模擬工業應用在“神威·太湖之光”超級計算機上的適配。

該技術與傳統手動適配和并行優化技術相比，實現了并行優化和架構適配的自動化，大幅降低研發的難度，縮短研發周期，大大提高工業仿真應用的高性能改造研發的效率和質量，實現自主可控高性能仿真應用的快速開發和高效實現。

“神工坊”產品結構

“神工坊”仿真應用定制案例展示

1

ConRodSim

此應用是通過與汽車零部件企業合作，針對汽零常用部件開發定制化仿真APP，根據初始幾何外形、約束和目標參數，自動化實現零件的形狀優化，實現企業降本增效目標。

ConRodSim界面

2

TankSim

此應用是與江蘇物流裝備企業合作，針對其罐箱運輸過程中，箱內液體晃動情況及液體沖擊對箱壁結構損傷等實際場景，開發定制化仿真APP，實現兩相流及流固耦合的聯合仿真。

TankSim界面

3

WTSim

此應用是與風電整機企業合作，針對風場風力機在非定常入流情況下，整機流場及受力分布情況，開發定制化仿真APP，實現從網格劃分到后處理的全流程仿真作業。

WTSim界面

4

IceSIM

此應用是與集成電路企業合作，針對復雜集成電路散熱仿真周期長，精度低的問題，開發定制化的散熱仿真APP，保留商軟的物理模型的同時，具備超大規模并行仿真的能力，大大降低了仿真時長，提高產品設計開發效率。

IceSIM界面

結語

近年來，國家陸續出臺了多項支持工業軟件發展的重大政策，為中國自主工業軟件發展營造了良好的政策環境，同時大量新型裝備的研制以及工業數字化轉型為工業軟件發展提供了龐大的需求市場，這些都為自主CAE軟件發展帶來了前所未有的機遇?！吧窆し弧眻F隊緊抓機遇，攻堅克難，以實際行動推動國產自主工程仿真計算生態可持續、高質量發展。

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十四五期間，工業數字化將是工業轉型升級的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協同創新”的理念，爭做“先進算力到仿真算能的轉換器”、“離散機理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術實現跨越發展，支撐重大裝備研制創新和工業設計研發數字化轉型。

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