36工程、力学与CAE

liuxiaotian

【摘要】CAE二十年合纵连横，阐述CAE集成性、；论述CAE思维；结合水电/核/航天/航空/舰船/；CAE未来发展做进一步展望；
【关键词】CAE有限元力学；
1 引言：从工程力学到CAE
纵览力学六十年发展，呈一放一收两个历程。力学发展“放”的历程是呈发散性，发生于上世纪五十年代到八十年代，发育出很多新的分支，形成很多各异的理论，力学向纵深领地拓展。但专业化程度越来越高意味著研究的面越来越窄，解决专业性极强的理想（简化、忽略工程细节或粗枝大叶）问题。“放”的进程使力学家彼此越来越远；力学发展“收”的历程发生于近二十年，以CAE的形式体现，把各类工程往一起收，寻求在一个平台内解决，力学也随之收网，力学家愈走愈近，称之为CAE集成——基于CAE统一的平台、算法，统筹调用各类资源，对工程问题形成完美的包络，给出终极解答（TOTAL SOLUTION）。
传统力学在实践中的应用受限，源于其太提炼，太单纯。CAE覆盖的门类更多、更全，波及的领域更宽、更广，此时没有系统的理论引导，将失之泛泛。工程师为此常感到无从下手，进退维谷，束手无策。这要求我们学会CAE思维，懂得其开放性、交叉性、鲜活性。
2 CAE的开放性、交叉性、鲜活性
传统力学的封闭性，体现在它的各个分支，是封闭的。传统力学课程（理论力学/材料力学/结构力学）划分，以及力学专业划分，一定程度上有其合理性，每门力学都有严格的范畴，所求的是‘定解’，定向（打靶式）解决专业性强的工程问题，工程力学专家、固体力学专家、一般力学专家、流体力学专家，都是各关注各自的领域，各组织各的会议。
而CAE搞的是融汇，它沿着力学分解的反方向走，寻求打破学科划分的界限——CAE是开放的，海纳百川，它以工程为中心，吸纳各类资源，组织系统化分析平台，追求工程力学/一般力学/固体力学/流体力学的完美归一。
CAE也具有交叉性。CAE考验工程师融会贯通的能力，要求工程师审时度势，通盘考虑，统筹各类技术，把离散的知识融入有限的网格之中。
工程中的问题活，它并不是按已经划分的学科类别出现；CAE也是活的，CAE讲求积极、主动、大胆地破解结构，灵活地组织资源，个性化地赋予载荷、边界条件。CAE追求原滋原味、高保真，保留尺度大大优于传统力学中的简化。这和传统力学僵化、定格化做法有着质的区别，相对查表、翻手册匹配载荷/边界的做法，CAE更像是一场“跨界”大穿越，在无垠的巨维空间里搜寻最佳搭档。
3 CAE思维
工程中的所有力学问题，基本上手算可以求解的，都可以用CAE比划出来。而CAE的后处理结果，需要你有一定的力学基本功，方能鉴赏。这里体现了CAE与力学的一致性。求解工程问题时，也应该是这样，把你的思维提高到CAE层面，用网格的眼光来审视周围的结构，感觉会不一样，思维与结构的胶着，就是模型的落点。这时的结构，有别于先前硬生生的实体，也有别于理论（弹性力学、结构力学）解析下的矩阵、方程，你会感悟真识结构之源，CAE思维给人新的灵感启悟。
杨振宁曾说过，学英语学通了的意境，就是当你能下意识地用英语去思考的意境，同样，CAE，入境的时候，就是满眼望过去，都是白花花网格的时候。
4 CAE二十年合纵连横
从业二十年来，我先后解决几个行业典型问题，下面进行一一简要介绍：
1992年国内引进CAE，哈尔滨大电机研究所装了十台I-deas，计算转子强度时发现，软件在处理叶片和转轮的配合问题时失灵，正确的叶片载荷导致错误的转轮应力结果。接触区域计算值高出实际测量值170%以上。究其原因，在于软件给定的GAP单元“不好用”，当时哈电人才济济，一部分人鉴于CAE软件的内核不透明，主张退回到手编《Fortran》程序，另有一部分北大清华元老认为有限元方法不可靠，应该一步到位退回到解析。面对如此局面，为破解接触算法，树立CAE的信心，下了一番苦功。
翻查User’s Guide、User’s Manual 都不解决问题，接下来，我们根据软件链接的算法查GAP元原始英文文献，与用户手册一一对比，探索GAP元届定的空间关系、迭代顺序、主体算法和求解脉络，并对典型问题以手工加载方式跟踪受迫节点组，一步步人工迭代，考察间隙—接触、接触—间隙变化过程，每一步都探究到底，并实时与内核方程及前后台结果相联系。总计调取十二种典型工程问题，从低阶到高阶，由一维到二维再到空间，点接触、线接触到平面/曲面接触，综合考证，摸清接触单元的原理和内在规律。
付诸运用时，采用对角顶置技术，模型与求解器越位卡接，耦联叶片转轮动态接触与软件求解内核，顺畅仿真，取得立竿见影的实效，与水电站现场采集的实测值完美对接。当时所作的《江口转轮报告》作为《中日水电交流会》的首发技术成果，给国际电气同行很大震撼，成为中国破解水电技术的标志性里程碑。
通过转轮仿真，我们感悟，干CAE，远远不是一拓而就的事情，仅仅靠读说明书肯定不够，需要发挥创造性，弄通内核原理。在解难题的时候，对软件加以必要改造——软件许可二次开发，并将实际工程（过程）因素考虑进来，避开软件的盲区，才能成功，因此，更深的功夫，在工作面以外。转轮、叶片接触问题解决了，我们又去解决优化问题，动力学问题，都是遵循同样的路子，并在接下来的时间里顺利完成十三陵、莲花、红石、五强溪、隔河岩、小浪底、万家寨等多部水轮机开发，援助华工完成水口转轮（科技部863）任务。哈电后来也成为三峡项目的主力开发商，我参与了其中的前期工作，进行推力轴承相关研究。
2006年、2011年分别解决核电领域两个飞轮，分别是出口巴基斯坦300MW及国产第三代1000MW。通过日本核事故可以看出，主泵是核电的心脏——不断推动冷却剂为核岛反应堆降温，同时推送高温高压蒸汽入常规岛；而主泵的核心是电机（国内核主泵由沈阳水泵厂承接，主泵电机由哈电来做），与普通电机不同，核主泵电机挂有储能飞轮。由两大核电事故可以看出飞轮的关键性：1984年苏联切尔诺贝利核电站为做飞轮试验而停堆关机，由于飞轮失效而诱发事故；2011日本福岛核灾难是因为老式电站（五十年代美国通用技术）没有这种飞轮——飞轮安全技术萌生于上世纪七十年代。海啸发生后，由于缺乏飞轮保障，核反应堆初始余热传不出去，链式反应的拉动，后果一发不可收拾。因此，核电
主泵飞轮是核电里安全等级要求（唯一）最高的构件。对它的要求有两方面，既实施储能保护又能在转速过高情况下自行脱落，实现自我防护，防止高转速下自身炸裂，为此核电飞轮采用三层结构（电机轴外内衬套，再套飞轮圆盘）、双层过盈，准确给出两个过盈量，有效模拟多层配合（其中一层为倒锥面），及提速下依重力的逐级脱落成为核心问题，这里涉及摩擦力、套装压力、离心力、重力等多重作用，其中套装压力涉及双层，是耦合的，当时我采用自己开发的动态过盈理论解耦多层过盈，得出两层过盈值。
之后，CAE软件对于多层配合的耦合作用的支持性成为求解的瓶颈，支持的情况下，两层过盈量的定义方式是另一个问题，而且要求在工作站上一步步实时跟踪过盈配合——（逐级）重力松脱全过程。总结软件在多过盈条件下的定义属性，精心安排，统一建模，分步调试，最终水到渠成，飞轮仿真获得成功，与目标相比较，脱落转速的误差低于0.4%；与后来取得的德国西门子（300MW/薄套）、KSB（1000MW/厚套）设计数据比较，内外层过盈量差异小于0.5%；电站投产后的实际运行显示，强度值吻合度超过99%。
哈电的成果也在于人才培养，我在那里培养的二十余名CAE人才，后来分布到国内数个行业，数人目前在跨国公司工作。
1997年我国航天发展正处于最低谷时期，对外，卫星发射频频失误；对内，总体技术多年徘徊裹足不前，尤其体现在两项技术上：一项是一维简化模型亟待向三维提升，突出体现在箭体局部斜率失测，传感器检到的局部响应信号与箭体轴线不一致，导致控制系统发出错误指令，酿成二次发射事故；另一项，箭体随机响应分析，两项技术来源于中美火箭发射事故协调工作会，其中后者是外方每次发射卫星前必检项目，也是他们的一项保密技术，尤其引起我方重视。
当时整个航天业还从未开展过此方面研究，两个项目被列入863火箭复杂问题，航天业两年多没有攻下来，摸不准其原理用途，干着急拿不出响应曲线。我接手项目后的着眼点首先是一维模型与三维的对接改造，在出问题的仪器舱建立完整的空间模型，然后再行匹配，经仿真，迅速查出传感器位置过量的振动响应，与遥测回来的数据取得一致，为此提出有效的改进方案；对于随机响应，则要突破概念和理论的旧框框，落实到火箭中来，其中所关注的要素、起作用的结构、力的传承及星箭耦合作用都要加以考虑，两项任务耗时三个月，顺利完成。
接手两项任务的同时，并负责规划整个运载火箭CAD/CAE/CAM一体化改造（917工程）。三项任务，兼顾基础性和前瞻性，对整个航天CAE技术大起底，从头搭就，使航天总体技术能力由一维上升到三维，其整条线的成功，对航天业界触动很大，成为时局扭转的枢纽，为航天后续发展打下良好铺垫。
国外将航空航天技术按难度排队，最难的是航空发动机，其次直升机，再次普通飞机（定翼机），接下去是火箭。而从单项技术看，直升机动力学处于顶尖位置，因为涉及到复杂空间隔振，被工程界誉为皇冠上的明珠。我博士后选择的直升机项目，该项目开局相当不顺利。
接手的前两年，除了考察结构，查阅资料，从事相关试验以外，CAE领域的建树是零。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，大型直升机上的隔振布局与理论（包括教科书）相比真是大巫见小巫、天壤之别，它沿空间摆布开，纵横交错，峰峦叠嶂，材料、结构、机构的交配眼花缭乱，破解聚焦式隔振堪称天路，外加有别于通用机械的航空薄壁结构、复合材料，直升机整体又呈吊篮属性，其中的艰辛可想而知。多少次都是在可望不可及的境地峰回路转，撇清问题，透析机理，最终，一一打通空间隔振的三十四级隔振阵列，把握内涵脉络，顺势走出来，并一气呵成组织起整机模型。
历经两千次解算，建立起三维全真聚焦隔振体系（以往国内针对海豚直九建立的隔振模型，求解效能相当于CAE中的0维度），可以准确仿真空间六向激励下的机体振动响应，对结构顺势调整，有效降低了振动水平，达到期望的NVH性能指标，这样就消化了法国海豚（即国产直九）直升机的聚焦隔振技术及其整机设计原理，为国内直升机发展扫除了障碍。
直升机一路仿真下来，让人才真正懂得了什么叫结构，美国也是在NASA组织西科斯基、贝尔、波音、麦道四大家联手开拓直升机（DAMVIBS工程）后才宣示其航空航天领域的霸主地位。
我国航母工程2005年立项，我在哈尔滨工程大学主持航母总体设计方案，参加了最终的项目评审会（2006年，北京）。鉴于国内没有超大型军用船舶设计经验，做的方案主要是借鉴航天总体设计的思想，将大船的载荷、强度任务分解，并提出相关的动力学及试验保障要求，在全国高等院校、船舶院所提出的四十余项方案中，该方案总排名第一。
关键技术国内采取两条腿走路策略，瓦良格舰体代表一种选择，当前可资利用的情况下，现阶段我国重点发展专项技术；航母更大、更长远的发展，还有赖于国内自主开发，有赖于总体技术的提升。
2010年接手工程机械行业装载机结构。国内工程机械大翻身源于近年大规模房地产开发与基础建设，仅装载机一项，国内目前市场份额超过500亿。太原科技大学、华南理工大学、清华大学、重庆大学、西南交通大学、吉林大学、广西大学、天津工程机械研究所有专业的装载机研发机构。装载机CAE的核心是动臂、横梁（也称工作装置），令全行业尴尬的是，正载算得准，偏载产生一倍多的偏差，而装载机设计又主要立足于偏载。
对比美国卡特彼勒、日本小松的产品，国产机工作装置经常发生工程开裂等极端事故，作业寿命少一半以上，码头、电力等关键作业场所为此多选用进口机。2010年夏我接手装载机CAE，发现其CAE分析的主要难点在于互通的液压油缸等压连作用下的位移协调，及六联杆/八连杆机构整体载荷。为此，花费大量时间，进行基础建模、机构解析、仿真解算，并开展现场试验，当时有一批3吨型号马上要出口到美国，时间紧、任务重，终于顶着压力完成装载机一体化求解模型，其中载荷分析借用了火箭助推捆绑技术（1998年北京完成），并将超静定结构仿真、机构结构一体化仿真技术发扬到极至，最终，试验值与计算值的差距达到2%以内，破解了装载机力学难题，带领全国工程机械行业打了一场技术翻身仗。
2011年底，涉足汽车行业，着手解决汽车CAE问题。半年间，完成某重点型号汽车全承载车身的建模分析，并处理载荷及解算，与现场采集的数据比对，仿真达到理想精度。下一步，将开展整车动力学及ESP控制方向研究。
桃李无言，下自成蹊。以上这些工作，使我国分别成为全球第二、第三、第四、第二、第三个掌握核电飞轮/大型直升机隔振/水轮机转轮/装载机/火箭3D箭体斜率及随机响应技术的国家。目前，优化后的水轮机已累计发电8000亿千瓦时，核飞轮由进口到出口，神箭也多次成功载着神舟/嫦娥/天宫奔向太空。
二十年来，除解决水电/核/航天/航空/舰船/工程机械领域难题外，也先后为中电、北车、中雷达、一汽、首钢以及道桥建筑桥梁领域解决一些技术问题，这里不再一一进行叙述。
应该说，行业核心问题的求解，对于CAE在全行业的大规模铺陈有良好的示范和带动作用。
一方面，行业问题通常围绕主体结构，其所做的传力分析用于赋予部件载荷；另一方面，大的问题解决了，小的科研也迎刃而解；此外，在心理上，行业问题的解决，会大大提升全行业对CAE/有限元技术的信心，也有利促进CAE在全行业的开展；第四，攻克行业难题会明显拉升研发的层面，带来显著的经济效益；第五，求解经验会被发扬，为技术自主添上浓墨重彩的手笔。
总结成功经验，应该说，在水电领域打下较好基础是一方面：当时的哈电，人才济济，有很好的团队氛围，其间摸爬滚打5年，锻炼了自己各方面能力，磨练了自己的CAE、专业外语、力学及试验技术，打下扎实的CAE功底——当时从事的二次开发，使自己后来每每遇难题时，都可以深入软件内核探个究竟，受益良多；当时也尝尽了带队的苦辛和压力；走出电气行业后，自己一点点努力，算题的领域更宽，层次更高，经验一点点累积，自身素质获得更大更全面的提升；加之硕士、博士选题也都围绕CAE这个方向，因此，时间上没耽搁，精力上没分散；最后一点，置身总体部所，站在行业至高点，潜心专研、浸染，以及畅通的中外交流管道，也是保障成功的重要一环。
换一个角度看，这些行业难题先前很多人尝试过，为什么没有成功，阻断行业发展，我归结为以下几个因素：
1） 理论基础不完善：
国内缺乏成形的CAE理论与成熟的CAE技术专著，CAE从业人员的知识落伍，力学、有限元背景支离破碎。二十年间，CAE呈爆发式增长，但其本身缺乏严密的理论导引，发展脉络不清晰；大多数工程师匆匆上路，理论根底浅。
国内结构分析教材大多沿袭钱令希先生版结构力学，其原始蓝本源于十九世纪末二十世纪初的欧洲教材，除面向土木偏窄的特点外，其内容也欠缺动力学部分，因此用现代的眼光看，是个半截子教材。百年来，结构分析的重心、范畴、方法、精度都在改变，但教材不变，使得CAE从业工程师的知识严重老化落伍。有限元背景不佳是另一个方面，很多工程师甚至没有学过有限元。搞行业问题需要炉火纯青的CAE技艺，需要实现静力学、动力学、有限元的高端衔接，否则失误在所难免，很容易做偏。
2） 工程问题没吃透：
对产品深层物理认识不清，对核心问题的属性、难度、高度意识不足。搞CAE，首先要明确为什么要算，以及算的是什么。要求工程师对产品及其工况有个通盘全面的认识，然后加以最精准的提炼和抽象，然后再行组织建模。
根据我自己的经验，即便有充足的力学背景，算过很多题，解决一项行业难题，也至少需要进入行业，呆上三个月，考察设备实际作业工况，在现场提高对结构的认识，了解以往的求解过程，多方面汲取领域工程的精华营养，并在仿真的同时，做一定的试验，才能取得成功，进而拓展。
3） 人员配置不合理，载荷没给准：
需要单独组织载荷分析人员，完成拆结构、提载荷的任务，载荷计算和结构分析人员，正常的配比是1:1，这方面航天和电站设备领域做得好，其本身产品（基础）理论也成型、系统。
4） 试验没跟上：
工程师拿软件算出个数很容易，这数和实际相差多大工程师心里没谱，其中很多人，甚至大学里的光测力学也没学过，因此对实际结果缺乏感性认知。CAE从简到繁，由易到难，自浅及深，试验的保障都必不可少。
5） 没抓住技术精髓，综合运用能力差：
要抓住技术精髓：要深入软件内核，抓住CAE技术的精髓；要抓住结构力学、弹性力学、材料力学的精髓，把它应用到CAE中来；要抓有限元技术的精髓，调节CAE算法；同样，也要抓住行业产品——水轮机/核电/航空/航天/舰船/机械结构的精髓，探索CAE破解之道。基础倘若不牢，破解工程难题就是望梅止渴。
解决行业难题，需要工程师通十八般武艺，既能灵机一动，也能抓住一闪之念。除扎实的理论功底（力学、有限元都不能瘸腿）外，要求工程师对问题的理解、对软件的操持有一定灵活性，有效调配手上资源，综合运用各项技能，准确把握诸环节，悉心部署节点、单元，有条不紊地定义边界、求解，最终水到渠成。那种碰到问题脑袋里一团乱、信手涂鸦式的做法使不得。
反之，对行业问题“求”之不得，便采取回避，甚至作假糊弄等极端手段，严重阻碍了行业发展和自主创新。
5 总结展望
CAE二十年拓界之旅，合纵连横集大成，无限风光在险峰，其强势，超乎力学专家始料。CAE具有综合性、实战性、终极性，也更灵活。与传统力学相比较，CAE考虑的因素更多、更全面。这里由解决行业难题入手，抛砖引玉，总结出一些体会与各方专家学者交流。长江后浪推前浪，一代新人换旧人，展望未来二十年，更大的机遇和挑战等待着未来工程师，更广的领域。
3 CAE思维
工程中的所有力学问题，基本上手算可以求解的，都可以用CAE比划出来。而CAE的后处理结果，需要你有一定的力学基本功，方能鉴赏。这里体现了CAE与力学的一致性。求解工程问题时，也应该是这样，把你的思维提高到CAE层面，用网格的眼光来审视周围的结构，感觉会不一样，思维与结构的胶着，就是模型的落点。这时的结构，有别于先前硬生生的实体，也有别于理论（弹性力学、结构力学）解析下的矩阵、方程，你会感悟真识结构之源，CAE思维给人新的灵感启悟。
杨振宁曾说过，学英语学通了的意境，就是当你能下意识地用英语去思考的意境，同样，CAE，入境的时候，就是满眼望过去，都是白花花网格的时候。
4 CAE二十年合纵连横
从业二十年来，我先后解决几个行业典型问题，下面一一进行简要介绍：
1992年国内引进CAE，哈尔滨大电机研究所装了十台I-deas，计算转子强度时发现，软件在处理叶片和转轮的配合问题时失灵，正确的叶片载荷导致错误的转轮应力结果。接触区域计算值高出实际测量值170%以上。究其原因，在于软件给定的GAP单元“不好用”，当时哈电人才济济，一部分人鉴于CAE软件的内核不透明，主张退回到手编《Fortran》程序，另有一部分北大清华元老认为有限元方法不可靠，应该一步到位退回到解析。面对如此局面，为破解接触算法，树立CAE的信心，下了一番苦功。翻查User’s Guide、User’sManual 都不解决问题，接下来，我们根据软件链接的算法查GAP元原始英文文献，与用户手册一一对比，探索GAP元届定的空间关系、迭代顺序、主体算法和求解脉络，并对典型问题以手工加载方式跟踪受迫节点组，一步步的人工迭代，考察间隙—接触、接触—间隙变化过程，每一步都探究到底，并实时与内核方程及前后台结果相联系。总计调取十二种典型工程问题，从低阶到高阶，由一维到二维再到空间，点接触、线接触到平面/曲面接触，综合考证，摸清接触单元的原理和内在规律。付诸运用时，采用对角顶置技术，模型与求解器越位卡接，耦联叶片转轮动态接触与软件求解内核，顺畅仿真，取得立竿见影的实效，与水电站现场采集的实测值完美对接。
当时所作的《江口转轮报告》作为《中日水电交流会》的首发技术成果，给国际电气同行很大震撼，成为中国破解水电技术的标志性里程碑。通过转轮仿真，我们感悟，干CAE，远远不是一拓而就的事情，仅仅靠读说明书肯定不够，需要发挥创造性，弄通内核原理。在解难题的时候，对软件加以必要改造——软件许可二次开发，并将实际工程（过程）因素考虑进来，避开软件的盲区，才能成功，因此，更深的功夫，在工作面以外。转轮、叶片接触问题解决了，我们又去解决优化问题，动力学问题，都是遵循同样的路子，并在接下来的时间里顺利完成十三陵、莲花、红石、五强溪、隔河岩、小浪底、万家寨等多部水轮机开发，援助华工完成水口转轮（科技部863）任务。哈电后来也成为三峡项目的主力开发商，我参与了其中的前期工作，进行推力轴承相关研究。
2006年、2011年分别解决核电领域两个飞轮，分别是出口巴基斯坦300MW及国产第三代1000MW。通过日本核事故可以看出，主泵是核电的心脏——不断推动冷却剂为核岛反应堆降温，同时推送高温高压蒸汽入常规岛；而主泵的核心是电机（国内核主泵由沈阳水泵厂承接，主泵电机由哈电来做），与普通电机不同，核主泵电机挂有储能飞轮。由两大核电事故可以看出飞轮的关键性：1984年苏联切尔诺贝利核电站为做飞轮试验而停堆关机，由于飞轮失效而诱发事故；2011日本福岛核灾难是因为老式电站（五十年代美国通用技术）没有这种飞轮——飞轮安全技术萌生于上世纪七十年代。
海啸发生后，由于缺乏飞轮保障，核反应堆初始余热传不出去，链式反应的拉动，后果一发不可收拾。因此，核电主泵飞轮是核电里安全等级要求（唯一）最高的构件。对它的要求有两方面，既实施储能保护又能在转速过高情况下自行脱落，实现自我防护，防止高转速下自身炸裂，为此核电飞轮采用三层结构（电机轴外内衬套，再套飞轮圆盘）、双层过盈，准确给出两个过盈量，有效模拟多层配合（其中一层为倒锥面），及提速下依重力的逐级脱落成为核心问题，这里涉及摩擦力、套装压力、离心力、重力等多重作用，其中套装压力涉及双层，是耦合的，当时我采用自己开发的动态过盈理论解耦多层过盈，得出两层过盈值，之后，CAE软件对于多层配合的耦合作用的支持性成为求解的瓶颈，支持的情况下，两层过盈量的定义方式是另一个问题，而且要求工作站一步步实时跟踪过盈配合——（逐级）重力松脱全过程。
总结软件在多过盈条件下的定义属性，精心安排，统一建模，分步调试，最终水到渠成，飞轮仿真获得成功，与目标相比较，脱落转速的误差低于0.4%；与后来取得的德国西门子（300MW/薄套）、KSB（1000MW/厚套）设计数据比较，内外层过盈量差异小于0.5%；电站投产后的实际运行显示，强度值吻合度超过99%。哈电的成果也在于人才培养，我在那里培养的二十余名CAE人才，后来分布到国内数个行业，数人目前在跨国公司工作。
1997年我国航天发展正处于最低谷时期，对外，卫星发射频频失误；对内，总体技术多年徘徊裹足不前，尤其体现在两项技术上：一项是一维简化模型亟待向三维提升，突出体现在箭体局部斜率失测，传感器检到的局部响应信号与箭体轴线不一致，导致控制系统发出错误指令，酿成二次发射事故；另一项，箭体随机响应分析，两项技术来源于中美火箭发射事故协调工作会，其中后者是外方每次发射卫星前必检项目，也是他们的一项保密技术，尤其引起我方重视，当时整个航天业还从未开展过此方面研究，两个项目被列入863火箭复杂问题，航天业两年多没有攻下来，摸不准其原理用途，干着急拿不出响应曲线。
我接手项目后的着眼点首先是一维模型与三维的对接改造，在出问题的仪器舱建立完整的空间模型，然后再行匹配，经仿真，迅速查出传感器位置过量的振动响应，与遥测回来的数据取得一致，为此提出有效的改进方案；对于随机响应，则要突破概念和理论的旧框框，落实到火箭中来，其中所关注的要素、起作用的结构、力的传承及星箭耦合作用都要加以考虑，两项任务耗时三个月，顺利完成。接手两项任务的同时，并负责规划整个运载火箭CAD/CAE/CAM一体化改造（917工程）。三项任务，兼顾基础性和前瞻性，对整个航天CAE技术大起底，从头搭就，使航天总体技术能力由一维上升到三维，其整条线的成功，对航天业界触动很大，成为时局扭转的枢纽，为航天后续发展打下良好铺垫。
国外将航空航天技术按难度排队，最难的是航空发动机，其次直升机，再次普通飞机（定翼机），接下去是火箭。而从单项技术看，直升机动力学处于顶尖位置，因为涉及到复杂空间隔振，被工程界誉为皇冠上的明珠。我博士后选择的直升机项目，该项目开局相当不顺利。
接手的前两年，除了考察结构，查阅资料，从事相关试验以外，CAE领域的建树是零。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，大型直升机上的隔振布局与理论（包括教科书）相比真是大巫见小巫、天壤之别，它沿空间摆布开，纵横交错，峰峦叠嶂，材料、结构、机构的交配眼花缭乱，破解聚焦式隔振堪称天路，外加有别于通用机械的航空薄壁结构、复合材料，直升机整体又呈吊篮属性，其中的艰辛可想而知。多少次都是在可望不可及的境地峰回路转，撇清问题，透析机理，最终，一一打通空间隔振的三十四级隔振阵列，把握内涵脉络，顺势走出来，并一气呵成组织起整机模型。
历经两千次解算，建立起三维全真聚焦隔振体系（以往国内针对海豚直九建立的隔振模型，求解效能相当于CAE中的0维度），可以准确仿真空间六向激励下的机体振动响应，对结构顺势调整，有效降低了振动水平，达到期望的NVH性能指标，这样就消化了法国海豚（即国产直九）直升机的聚焦隔振技术及其整机设计原理，为国内直升机发展扫除了障碍。直升机一路仿真下来，让人才真正懂得了什么叫结构，美国也是在NASA组织西科斯基、贝尔、波音、麦道四大家联手开拓直升机（DAMVIBS工程）后才宣示其航空航天领域的霸主地位。
我国航母工程2005年立项，我在哈尔滨工程大学主持航母总体设计方案，参加了最终的项目评审会（2006年，北京）。鉴于国内没有超大型军用船舶设计经验，做的方案主要是借鉴航天总体设计的思想，将大船的载荷、强度任务分解，并提出相关的动力学及试验保障要求，在全国高等院校、船舶院所提出的四十余项方案中，该方案总排名第一。
关键技术国内采取两条腿走路策略，瓦良格舰体代表一种选择，当前可资利用的情况下，现阶段我国重点发展专项技术；航母更大、更长远的发展，还有赖于国内自主开发，有赖于总体技术的提升。
2010年接手工程机械行业装载机结构。国内工程机械大翻身源于近年大规模房地产开发与基础建设，仅装载机一项，国内目前市场份额超过500亿。太原科技大学、华南理工大学、清华大学、重庆大学、西南交通大学、吉林大学、广西大学、天津工程机械研究所有专业的装载机研发机构。
装载机CAE的核心是动臂、横梁（也称工作装置），令全行业尴尬的是，正载算得准，偏载产生一倍多的偏差，而装载机设计又主要立足于偏载。对比美国卡特彼勒、日本小松的产品，国产机工作装置经常发生工程开裂等极端事故，作业寿命少一半以上，码头、电力等关键作业场所为此多选用进口机。
2010年夏我接手装载机CAE，发现其CAE分析的主要难点在于互通的液压油缸等压连作用下的位移协调，及六联杆/八连杆机构整体载荷。为此，花费大量时间，进行基础建模、机构解析、仿真解算，并开展现场试验，当时有一批3吨型号马上要出口到美国，时间紧、任务重，终于顶着压力完成装载机一体化求解模型，其中载荷分析借用了火箭助推捆绑技术（1998年北京完成），并将超静定结构仿真、机构结构一体化仿真技术发扬到极至，最终，试验值与计算值的差距达到2%以内，破解了装载机力学难题，带领全国工程机械行业打了一场技术翻身仗。
2011年底，涉足汽车行业，着手解决汽车CAE问题。半年间，完成某重点型号汽车
全承载车身的建模分析，并处理载荷及解算，与现场采集的数据比对，仿真达到理想精度。下一步，将开展整车动力学及ESP控制方向研究。
桃李无言，下自成蹊。以上这些工作，使我国分别成为全球第二、第三、第四、第二、第三个掌握核电飞轮/大型直升机隔振/水轮机转轮/装载机/火箭3D箭体斜率及随机响应技术的国家。目前，优化后的水轮机已累计发电8000亿千瓦时，核飞轮由进口到出口，神箭也多次成功载着神舟/嫦娥/天宫奔向太空。
二十年来，除解决水电/核/航天/航空/舰船/工程机械领域难题外，也先后为中电、北车、中雷达、一汽、首钢以及道桥建筑桥梁领域解决一些技术问题，这里不一一叙述。
应该说，行业核心问题的求解，对于CAE在全行业的大规模铺陈有良好的示范和带动作用。一方面，行业问题通常围绕主体结构，其所做的传力分析用于赋予部件载荷；另一方面，大的问题解决了，小的科研也迎刃而解；此外，在心理上，行业问题的解决，会大大提升全行业对CAE/有限元技术的信心，也有利促进CAE在全行业的开展；第四，攻克行业难题会明显拉升研发的层面，带来显著的经济效益；第五，求解经验会被发扬，为技术自主添上浓墨重彩的手笔。
总结成功经验，应该说，在水电领域打下较好基础是一方面：当时的哈电，人才济济，有很好的团队氛围，其间摸爬滚打5年，锻炼了自己各方面能力，磨练了自己的CAE、专业外语、力学及试验技术，打下扎实的CAE功底——当时从事的二次开发，使自己后来每每遇难题时，都可以深入软件内核探个究竟，受益良多；当时也尝尽了带队的苦辛和压力；走出电气行业后，自己一步步努力，算题的领域更宽，层次更高，经验一步步累积，自身素质获得更大更全面的提升；加之硕士、博士选题也都围绕CAE这个方向，因此，时间上没耽搁，精力上没分散；最后一点，置身总体部所，站在行业至高点，潜心专研、浸染，以及畅通的中外交流管道，也是保障成功的重要一环。
换一个角度看，这些行业难题先前很多人尝试过，为什么没有成功，阻断行业发展，我归结为以下几个因素：
1） 理论基础不完善：
国内缺乏成形的CAE理论与成熟的CAE技术专著，CAE从业人员的知识落伍，力学、有限元背景支离破碎。二十年间，CAE呈爆发式增长，但其本身缺乏严密的理论导引，发展脉络不清晰；大多数工程师匆匆上路，理论根底浅。国内结构分析教材大多沿袭钱令希先生版结构力学，其原始蓝本源于十九世纪末二十世纪初的欧洲教材，除面向土木偏窄的特点外，其内容也欠缺动力学部分，因此用现代的眼光看，是个半截子教材。百年来，结构分析的重心、范畴、方法、精度都在改变，但教材不变，使得CAE从业工程师的知识严重老化落伍。
有限元背景不佳是另一个方面，很多工程师甚至没有学过有限元。搞行业问题需要炉火纯青的CAE技艺，需要实现静力学、动力学、有限元的高端衔接，否则失误在所难免，很容易做偏。
2） 工程问题没吃透：
对产品深层物理认识不清，对核心问题的属性、难度、高度意识不足。搞CAE，首先要明确为什么要算，以及算的是什么。要求工程师对产品及其工况有个通盘全面的认识，然后加以最精准的提炼和抽象，然后再行组织建模。根据我自己的经验，即便有充足的力学背景，算过很多题，解决一项行业难题，也至少需要进入行业，呆上三个月，考察设备实际作业工况，在现场提高对结构的认识，了解以往的求解过程，多方面汲取领域工程的精华营养，并在仿真的同时，做一定的试验，才能取得成功，进而拓展。
3） 人员配置不合理，载荷没给准：
需要单独组织载荷分析人员，完成拆结构、提载荷的任务，载荷计算和结构分析人员，正常的配比是1:1，这方面航天和电站设备领域做得好，其本身产品（基础）理论也成型、系统。
4） 试验没跟上：
工程师拿软件算出个数很容易，这数和实际相差多大工程师心里没谱，其中很多人，甚至大学里的光测力学也没学过，因此对实际结果缺乏感性认知。CAE从简到繁，由易到难，自浅及深，试验的保障都必不可少。
5） 没抓住技术精髓，综合运用能力差：
要抓住技术精髓：要深入软件内核，抓住CAE技术的精髓；要抓住结构力学、弹性力学、材料力学的精髓，把它应用到CAE中来；要抓有限元技术的精髓，调节CAE算法；同样，也要抓住行业产品——水轮机/核电/航空/航天/舰船/机械结构的精髓，探索CAE破解之道。基础倘若不牢，破解工程难题就是望梅止渴。
解决行业难题，需要工程师通十八般武艺，既能灵机一动，也能抓住一闪之念。除扎实的理论功底（力学、有限元都不能瘸腿）外，要求工程师对问题的理解、对软件的操持有一定灵活性，有效调配手上资源，综合运用各项技能，准确把握诸环节，悉心部署节点、单元，有条不紊地定义边界、求解，最终水到渠成。那种碰到问题脑袋里一团乱、信手涂鸦式的做法使不得。
反之，对行业问题“求”之不得，便采取回避，甚至作假糊弄等极端手段，严重阻碍了行业发展和自主创新。
5 总结展望
CAE二十年拓界之旅，合纵连横集大成，无限风光在险峰，其强势，超乎力学专家始料。CAE具有综合性、实战性、终极性，也更灵活。与传统力学相比较，CAE考虑的因素更多、更全面。这里由解决行业难题入手，抛砖引玉，总结出一些体会与各方专家学者交流。长江后浪推前浪，一代新人换旧人，展望未来二十年，更大的机遇和挑战等待着未来工程师，更广的领
域有待于开拓，相信国内CAE事业会锦上添花、愈加壮大蓬勃。感谢总体院所同行们给予的大力协作与支持。这里赋诗一首，纪念CAE二十年——风雨同舟的日子，并为中国创造加油！
水轮强度惹人愁，
神箭斜率让人忧，
直九隔振真给力，
动力载运两头忙；
（注：两头忙是一种工程机械，它一端是挖掘机，另一端是装载机）
飞轮技术我自主，
东方大船来路长，
海陆空天传喜讯，
中国CAE日渐强。
2012-03-14上海徐家汇
参考文献： 1
2 程耿东,曾勇;工程结构有限元模型化知识系统[J];计算力学学报;1993年01期钟万勰;陆仲绩;;加强以装备制造业发展需求为导向的自主CAE软件产业建
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武际可;[J];计算力学学报;1993年02期 3 3 5 6
《ANSYS Workbench 结构工程高级应用》刘笑天编著
中国水利水电出版社出版
    本书为ANSYS中国官方策划出版的，第二本针对Workbench平台的著作。
本书以作者多年的CAE仿真与CAD设计经验为基础
讲解了大量的软件操作方法、实用技巧、解题思路与方案、学习未知领域知识的方法、学习成长的基本规律、个人经验与感悟、选配适合CAE的高性能计算机等内容。
笔者希望谨以本书为信，试图破解本文中提及的阻碍行业发展的瓶颈，以帮助读者快速成长。
刘笑天
2015年7月5日星期日 于哈尔滨