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       2017年7月7日，國產工業軟件優秀解決方案展示對接會（大連）成功舉辦，會上，中國科學院院士程耿東發表了題為《數值模擬和優化---創新設計的核心軟裝備》的演講，本文為演講內容整理，未經作者本人確認。

    報告主題分為以下幾個方面：第一，創新設計是從中國制造向中國創造轉變的標志；第二，先進制造和信息化融合，為創新設計提供全新機遇；第三，數值模擬和優化為創新設計提供完美的工具；第四，數值模擬和優化設計的若干典型應用；第五，國家軟件新機遇和自主數字仿真平臺；最后是結語。

    中國現在已經是制造大國，部分領域處于國際前沿，裝備制造業產值在世界范圍內占很高比重。航空領域，神州飛船、長征系列火箭、探月工程都是國際前沿。其它領域，三峽工程、水電、火電等都處于國際前沿，以及高性能計算機，移動通信，深海探測、量子通訊、北斗導航等。

    但是，中國現在還不是制造強國，缺乏高端裝備和核心技術的自主知識產權。比如說高檔數控機床95%都需要進口。高鐵輪對、輪軸加工是在中國，但是坯材來源于進口。生活用品方面，比如手機用的相機都不是中國制造的，機器人的核心部件都需要靠進口的。還有軟件，大型管理設計軟件幾乎都是進口，由國外企業壟斷。

    現在中國制造業形勢很好，但是也可以說形勢很危機，政府提出了中國制造2025，要把中國從制造大國向制造強國轉變。中國面對兩方面的擠壓：一方面是先進發達國家從知識產權角度來擠壓國內企業；二是發展中國家以更低環境成本和勞動力成本擠壓。對此，第一條要自主創新，要有自己的產品，是源頭的創新。中國過去拿來產品設計再加工，很多企業處于代工設計，后來管理體制發生變化，從國外拿來圖紙和設備來做。高校也處于這樣的狀態，機械制造也主要是加工，實際到一個學校去看就是怎么加工，往往是這樣研究問題的。我認為創新設計和質量工程是制造業供給改革很重要的兩方面：一是自主創新，二是提高質量。

    信息化的融合是制造業的機遇。先進制造業要和信息化融合并不是現在才想到的事情，80年代的時候我參加清華大學牽頭的一個項目，到一些企業進行合作，搞計算機集成制造系統，希望把企業管理、加工制造、產品設計、市場需求通過計算機管理起來，這項工作取得一定成績，但是很局限。現在來看是信息技術發展水平和工業化發展水平不匹配。現在情況發生很大變化，信息技術使得各個環節都大幅度上升，80年代的時候可靠度不行，傳感器的信息不準確。現在傳感器發展速度很快，但這仍然是很大問題。還有傳輸，存儲、處理等，由于這些大的發展，使得信息化技術在現代生活中越來越重要。可以說任何學科、技術和工業部門要是能夠搭上信息技術的快車都可以實現創新。

    制造業信息化數字化要求企業掌握制造過程的規律，中間有一個過程是中間技術軟件化。計算機只能夠接受0和1，要把所有知識都變成0和1，從制造到信息要實現深度融合，需要了解它的規律。信息化流程要獲取、傳輸、貯存、處理和解釋設計開發制造過程中需要的信息形成新的信息，利用這些信息改進設計、精確控制制造過程。沒有知識庫和軟件制造業要信息化還是不行。淘寶的顧客數據收集起來非常快。但是在企業，一年可能幾百件產品，要查它的數據庫很少。淘寶很容易收集大量的數據，所以講大數據的時候，像這樣的工作做得比較快，只是在工業部門要建立數據庫還是有很大困難。舉例來說，如果一個企業老總說要買美國的設計軟件，問能不能做這個軟件？它的算法國內企業都能做，但是它的數據庫無法知曉。后來可能談到4000萬全部買下，貴的原因就是數據庫和知識庫。

    我時常被問及這樣的問題，純科學和應用科學究竟哪個對世界更重要？為了應用科學，科學本身必須存在，假如我們停止科學的進步而只留意科學的應用，我們就會退化，多少代都沒有進步。某種程度上我們國家文化中間缺少尋根問底。

    什么是數值模擬，就是在物理和數學建模基礎上，基于高性能軟硬件平臺，利用先進計算方法對工程科學中的復雜問題進行數值求解。數值模擬與理論和實驗并列為科學發展和技術創新的三大支柱。現在特別是非常宏觀的科學，很多問題不僅做不了實驗，理論上還缺乏，而技術軟件能夠提供很多信息和數據。包括現在我們的實驗，很大程度上是數字模擬和理論研究。數值模擬也是工程產品創新設計，制造工藝革新，提高產品質量，實現供給側改革的支柱。

    工程科學計算領域，很多國家看成戰略技術，非常重視。在2006、2009年美國作為國家安全的關鍵。2009年美國競爭力委員會發布的白皮書把建模、模擬看成戰略優勢的王牌，最近這幾年也還有新的戰略。

    在各種機械產品的不同性能中，什么是力學性的呢？比如一個產品的強度、剛度、振動、斷裂、疲勞、密封性能、耐磨性能、安全性能、精度和高度，使用壽命這些都是力學研究的知識。現在新產品的創新設計和已有產品質量提升都離不開對力學的性能分析。數字模擬的簡單發展歷史就是現在講的CAE、CAD。應該說力學在CAE、CAD發展中起到關鍵作用，因為在40年代出現電子計算機之后，50年代就由美國提出有限元法分析機翼壁板。力學從書本上走到工程師每天用的工具，這套計算方法推廣到電學、化學、納米，形成龐大計算科學，應該說計算科學最早做得最完美的就是計算力學，這是力學的發展。而且力學領域最大成就就是有限元方法。大連理工大學之前的老校長也是中科院院士，他在文化大革命還沒有結束的時候，1973年鄧小平第一次上臺的時候他就提出要發展計算力學，之后我們就組織了一支計算力學的隊伍，來發展國產軟件。

    第二個方面是優化。簡而言之就是設計要不斷的改進。有初始的設計，初始造的房子有缺點要改進這個房子，所以我們現在住的房子都是優化的，包括自然界的生存競爭，人類優勝劣汰也是優化的，但是這個優化是自然發生的，現在是用計算機幫助進行優化的過程。這就是現在優化升級研究的東西，提出了一個初始設計，確定給定設計的性能，判定設計的優劣，在計算機上由于有了有限元、數學規劃，結構優化已經可以跟CAE、CAD一樣非常快的為工業界服務，在工業界使用優化軟件。

    目前優化無處不在，政府工作報告里面有70到80個優化。我想說優化有三個要求，首先要有目標，第二是什么約束條件，第三是有些什么動作可以修改。也可以拿來審查政府工作報告，有沒有考慮這三個因素。優化本質上就是尋求資源最優分配，優化就是要做好事。華羅庚院士在60年代的時候搞運籌學，舉的例子就是炸油條。優化研究對象進展，開始做尺寸優化，后來作形狀優化，現在作拓撲優化和材料優化。優化的方法發展一開始是數學規劃占主要地位，近年來是智能算法，包括仿真算法、種群算法以及軟算法，人工智能的問題模式匹配問題，最后是數學優化的問題。還有優化軟件的發展，現在趨勢是所有分析軟件都安裝優化的功能。

    結構優化搜索算法的基本思想。例如要到達山頂，人往山頂上走，首先要確定往哪里走，確定方向就是搜索算法最基本的思想數學規劃法。這方面中國科學院有好幾個院士都是做這個的。

    智能算法方面，拿一大堆群體，我們進行交配，通過概率的方法進行淘汰，一步步往下做，它的特點是建立在種群基礎上，這都是經過優化的現在算法。

    對于結構優化來說，包括尺寸、形狀、拓撲優化。拓撲優化比較困難，尺寸優化相對容易。結構尺寸優化，舉桿子的例子，上面桿子粗細是在發生變化，要把黃顏色傳到兩個柱子上，問題是在改進材料條件下，怎樣能夠把桿子傳過去變成最小，這是優化的問題。結構形狀，要找一個最優的形狀，用的重量最小，材料最少。

    拓撲優化，現在通訊網里面相當大部分在做網絡拓撲優化。還有連續體拓撲優化，比如說把右端載荷傳到墻壁上，希望材料用得最省，是開一個孔還是開兩個孔。開孔是一門學問，有一個歐洲哲學家講，藝術就是開孔，這個話說起來荒唐，仔細想想經常見到藝術不同特點就是開了不同的孔在不同的位置。現在我們的問題就是找到最優設計方案，這就是拓撲優化，難點在于它是離散的。拓撲優化最早是在1904年提出來，到1964年提出基礎結構法。我本人主要貢獻是在我1980年出國學習的時候，博士論文做的是對彈性薄板優化的研究，這項工作有很多創新點，特點是網格依賴性。拓撲優化方法最早是美國教授提出來的，提出均勻化方法，我們來改造一下帶孔的材料性質和孔的密度關系。如果材料比較疏松彈性就比較低，利用這一缺陷就可以看材料分布在什么地方最有利，一開始講的材料是到處都是多孔材料，進行結構分析，分析之后可以看到什么地方的材料可以充分利用，什么地方的材料沒有用。發展到現在，是自動報告什么地方開孔。結構質量最輕還有一定的剛度，這是拓撲優化最初級的方法，后來提出更簡單的辦法——人工密度法，一開始假定這個結構里面都是材料，密度是0.5，做結構分析之后，密度和它的彈性有簡單關系，這個方法的關鍵一點是彈性模量和彈性密度之間的關系，密度小的材料彈性模量很低，一開始設計人員不知道在什么地方開孔，這個設計是計算機完全自動產生的。

    這類方法還是有缺點，現在新發展的方法是水平集方法，它的特點是開始開很多孔，然后讓孔移動融合，最后得到最好的方案。最近我們提出基于可動變形組件的拓撲優化新框架研究，

    下面舉一個簡單的例子，在核泵里，有很細長的孔道要加工，但是沒有加工設備，后來經過研究，在設計過程中，通過數字模擬和分析找到美國的優化設計，后來我們自己發現了又一個優化設計，采用了該技術。據了解這個產品已經生產了，我們擁有知識產權。

    第二個例子是參加數控機床重大專項做的結構優化設計。對機床設計進行了改進，主軸箱、立柱、工作臺都進行了優化。跟航空工業合作，比較突出的一項工作是火箭助推器到火箭，長征五號火箭有4個助推器，推力要傳到主火箭上，主火箭很薄，大噸位的力如何有效傳到火箭上是很困難的事情。長征五號成果創新點其中有一點就是這個，在這方面做了大量工作，改造了優化設計的方案。

    第三個例子，是給三峽升船機提升方案設計修改，原方案是鋼絲繩提升，通過用數字模擬說明這個方法不安全。鋼絲繩很好，但是升船機形狀是100多米長、18米寬的一個箱子，里面裝滿水，水是要晃的。1994年立項，十年時間一直準備鋼絲集成方案，但是后來覺得這個方案不安全做了改進。

    國家軟件的機遇和自主數值軟件仿真平臺。80年代國產軟件曾經很輝煌，大連理工大學工程力學系是國產軟件主要研究單位，當時曾經做過運10的全息分析，上海、遼寧的電視臺，遼寧、上海的體育館結構分析都是國產軟件做的。80年代國產軟件曾經風行一時，90年代開放以后國產軟件就不行了，大批優秀青年學生出國，西方軟件的特點是保護知識產權，但是有盜版，學生都用好了。這一類軟件是非常重要，有戰略地位，但是和財會軟件、管理軟件、游戲軟件都在一個軟件的支持下，還有很多重要軟件。工業技術軟件化的軟件對于企業都是關鍵的裝備，對于一個國家也是關鍵裝備，這些軟件不可以和游戲軟件、財會軟件等量看待。

    最近我看到重要行業軟件平臺及解決方案被列入國家信息領域需要突破的關鍵核心技術，并要推動計算機輔助設計和仿真等自主可控工具軟件的規模應用。國產軟件面臨的問題是核心部門需要自主研發，企業自主創新，關鍵部門使用國外軟件面臨安全風險。這就是自主可控軟件，國外軟件不可控，有風險。優化設計受到青睞，隊伍發展非常快，有更多的人力資源，開發軟件是密集的智力勞動，現在智力勞動成本相對整個社會成本在下降，所以這是很好的機會。

    簡單說一下我們學校的軟件SiPESC，主要特點是開放，可以集成。國外軟件有不同的功能，可以集成到該平臺上。這個平臺有自己的軟件，但是也可以和別的軟件集成一起完成任務，另外可以提供解決方案。這是我們軟件的優點，最大長處是有強大優化功能，結構的拓撲優化。這一款軟件并不在市場上銷售，很大一部分系定制軟件，以企業的需求來定制。這是系統可靠性，這是我們推廣發展的技術。

    現在新產品開發和創新以及已有產品質量提高需要具備產品性能分析和優化的能力。數值模擬和優化設計也是當下的主題，CAE軟件可以幫助企業縮短新產品開發周期，減少開發費用，從根本上提高競爭能力。

    數值模擬和優化設計是制造信息化和數字化不可或缺的部分。我理解的數字化是很基礎的東西。因為計算機就是0和1，所以什么東西都要數字化。數值模擬和仿真就是數字化的強大工具。制造要更科學更定量化的發展，制造行業要有追求更科學的、更定量化的軟件，才能不斷發展和進步。