自主研发的大型国产CAE软件：HAJIF CAE(中航)

来源：中航工业强度所官网及常亮演讲

  1979年，航空人开始研发HAJIF-I型系统，开始了自主开发结构分析软件的历程，HAJIF从此成为自主CAE的一面旗帜。随后的40多年里，研发团队陆续开发了HAJIF-II、YIDOYU、VEP、HAJIF-Ⅲ、COMPASS等系列软件，先后四次获得国家科技进步奖，在我国航空器研制历程中发挥了重要作用。2013年，强度所搭建了融合静、动、热、疲等多专业的通用加专用的HAJIF2013。在数字引领的新时代，结合航空器研制新的需求，强度所又推出了全新的HAJIF2018版本。

针对数字强度特点，本次发布对HAJIF软件产品线进行了重新划分，包含六大产品：

——HAJIF-BASIC开放式有限元分析平台；

——HAJIF-COMPASS超大规模变量优化软件；

——HAJIF-MODELING航空结构辅助建模软件；

——HAJIF-STRENGTH航空结构强度分析软件；

——HAJIF-VT结构强度虚拟试验软件；

——HAJIF-DATA结构强度工程数据库。

覆盖了航空结构设计、强度计算到强度试验验证的全过程。

   航空工程软件已成为不可或缺的飞机设计工具，这些软件已经深深地融入到飞机设计的流程中。目前，坚持自主核心创新、研发具有自主知识产权的核心软件，对于支撑我国装备发展具有重要的意义。面对复杂的国际贸易形式和我国工业软件发展现状，强度所将秉承十年磨一剑的精神，努力打造具有国际一流水平的高品质CAE软件，加速建设我国全自主、高效率的大工业数字化研发模式。

1.中航工业强度所

　  中国飞机强度研究所（623所）是我国唯一的飞机强度研究中心和地面强度鉴定与验证试验研究机构，具有代表国家对新研与改型飞机给出首飞前强度结论的职能。

      强度所目前已基本形成了以西安总部为科研中心，以阎良、耀州、长安、上海为试验基地的“四地五点”运转格局。

（1）飞行器强度问题的解决者；

（2）飞行器强度新技术的创造者；

（3）飞行器强度设计工具的提供者；

（4）飞行器新型号地面验证和鉴定者。

  计算结构技术与仿真中心，负责计算结构力学技术研究与CAE软件研发等工作。近年来，先后承担了国防基础科研、863、集团创新基金、空装、总装等多项研究任务。参与了多个重点型号的结构优化、强度分析及虚拟试验等工作，为型号研制提供了重要的技术支持。

2.HAJIF CAE

   航空结构强度分析与优化系统（HAJIF）是航空工业强度所研制推出的国内航空界功能最为全面的大型CAE软件系统，以强度试验数据库为支撑，提供飞行器结构基础分析、优化设计、气动弹性分析、热分析、耐久性/损伤容限分析、起落架分析等功能。系统提供了基本的图形前后置功能，可导入常见的有限元模型文件，并以图形方式显示模型与计算结果，系统分析规模可达1000万自由度。系统采用先进的开放式、可扩充的软件架构，可满足用户多层次特殊需求的开放式定制环境。

1975年，航空工业强度所牵头开始研发自主结构分析软件系统，多年来紧密围绕行业需求，形成了HAJIF、YIDOYU、VEP和COMPASS等一系列自主CAE软件，解决了多个型号研制的难题，先后六次获得国家级奖励。

    2018年起，面向大型复杂装备的研制需求，强度所整合行业资源，历时四年研发推出全新的SABRE（Structural Analysis BREezing）系统。采用新一代TE8 CAE软件架构，支持亿级自由度矩阵求解，适应高性能、云计算等异构计算环境。围绕装备结构完整性设计要求，为装备研制关键环节提供专业的解决方案，实现了工具链的完整覆盖，形成了“通用、专用、数据库”三层CAE软件体系。 

    具有完全自主知识产权，包括多项专利和软件著作权，凝聚了三代航空CAE人的智慧与汗水。具有60万行程序源代码，全套完整的理论、设计、测试文档；核心技术依赖自主创新，方便加入自主设计思想和自主新技术，软件的安全性、可靠性已经在大量型号中得到验证。

在通用平台方面，SABRE系统提供了精确的结构响应计算手段和高效的结构减重手段，包括线性静力分析、线性屈曲分析、非线性分析、模态与振动分析、气动弹性分析、工程准则法优化、数学规划法优化和复合材料铺层优化等功能。在专用软件方面，SABRE系统面向航空装备研制，提供了起落装置动力学分析、疲劳分析、载荷处理和强度校核等特色功能。在数据库方面，提供工程材料数据库、强度模型库和典型结构破坏模式库，为本构模拟、失效分析等提供数据保障。

HAJIF软件发展历史

第一阶段:自力更生，成果辉煌（1975～1995） 

975年，由中国飞机强度研究所主持召开了航空结构强度计算软件大会，决定开发“航空结构分析系统”，代号为HAJIF，开始了中国人自己开发结构分析软件的历程。

1979年，航空结构分析系统HAJIF-I，国防科工委科技进步一等奖。

1981年，航空结构动力分析系统HAJIF-II，国家科技进步二等奖。

1983年，飞机结构多约束优化系统YIDOYU，国家科技进步二等奖。

1985年，大型航空结构非线性分析系统HAJIF-Ⅲ，国家科技进步一等奖。

1989年，飞机结构振动环境预计系统VEP，国家科技进步二等奖。

1995年，大型通用有限元结构分析程序系统HAJIF（X），获航空部科技进步二等奖。

HAJIF-I的静力分析功能完成了多个在研型号的全机/部件应力分析；

HAJIF-II的固有动力特性计算方法先进、可靠，解决了X-8 等型号的颤振分析问题，至今仍在一些主机厂所应用；

HAJIF-III 的非线性求解策略先进，解决了某型轰炸机机翼弹塑性、稳定性分析问题，为设计提供了依据；

HAJIF( X )的分析功能强大，具备飞机设计过程中多个专业的分析能力。

YIDOYU飞机结构多约束优化系统，具备在有限元基础上对金属结构的优化设计能力；

VEP飞机结构振动环境预计系统，解决了多个型号的动强度设计问题。

强度所开发的专用软件：

  上世纪90年代以来，国外商业CAE软件进入了稳定的商业化运作阶段，大批国外软件涌入国内。为了遏制国外商软的冲击，国产软件转而以工程专用为主，融入国内研制规范和工程数据，其在计算能力和功能上与通用软件相比有显著优势，并在一定范围内成功应用于装备研制。如中国飞机强度研究所开发的飞机着陆和滑跑载荷优化设计系统ALTLAS、飞机结构三维温度场分析软件ASTSA等专用软件，为多个型号的成功研制提供了技术支撑。

ADDRAS软件系统

ASTSA软件系统

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第二阶段:面向设计，突出专用（1995～ 2010）

“面向设计”，专注于优化设计，在COMPASS软件基础上逐步完善，服务于型号设计。

 增加翼面结构快速建模功能，形成快速建模设计能力；

 增加多层次优化能力，解决不同设计阶段的工程需求；

 增加多学科设计、气动载荷计算和气动弹性剪裁等功能。

先进复合材料因其高的比强度和比刚度被现代大型航空结构广泛采用，能给飞机设计带来突出的减重效果和综合性能的显著提高。出于对复合材料结构分析与优化设计的需求，由原航空部在1986年召开会议，确定由强度所牵头开发“复合材料结构分析与优化设计程序系统”COMPASS。系统提供了准则法优化与数学规划法优化两类优化手段，支持金属和复合材料结构的静力、动力、静气弹、颤振分析和应力／应变约束下的满应力／满应变设计，也可进行以重量为目标，以静、动、静弹、颤振响应等多种复杂约束的优化设计。值得一提的是，COMPASS系统比美国MSC公司提前十年实现了结构的满应力／满应变设计和全解析敏度求解，大大提高了大型复杂结构优化设计的效率。

第三阶段:创新开放，跨越发展（2010～）

2013年11月，HAJIF 2013版本，于阎良强度论坛正式发布，增加了优化设计、气弹分析等主要功能，形成航空界功能最为全面的综合分析与优化系统。

2015年，HAJIF 2013 R2版本。

（1）前后置处理：开发了独立的基于图形内核的前后置处理，采用OpenGL大规模图形引擎设计技术，可实现1000万节点模型的高效存取与交互；

（2）求解效率：实现了大规模矩阵求解算法级并行技术，求解效率提升达8~10倍，高于同类商业软件，稳健性大幅提高；

（3）敏度求解：实现设计变量为10万的大规模敏度求解。

3.HAJIF系统简介

  航空结构强度分析与优化设计软件系统（HAJIF2013）是中航工业强度所研制推出的国内航空界功能最为全面的大型CAE软件系统，以强度试验数据库为支撑，提供飞行器结构静强度、动强度、热强度、气动弹性、结构优化设计等基本求解功能，以及飞机结构细节强度校核、耐久性等特色分析功能。系统还提供可满足用户特殊需求的开放式定制环境，并设计有与多种主流CAE软件的接口，具备独立的图形前后置处理功能。

软件四大特色

 虽然国内CAE自主研发之路历经艰辛，但是航空人用“因为坚持  所以卓越”的精神一直在困难中坚守。近年来，在强度所创新基金和航空工业集团创新基金等项目的支持下，开发团队又陆续发布了HAJIF软件的新版本（2018年在珠海航展期间发布了2018版本），不断扩充了软件的规模、效率、工程数据库和特色功能，并在大型客机和大型水陆两栖飞机等型号的研制中发挥了重要作用，并且在商业化的道路上进行了有益的探索。

   

与商业软件对比——前后置处理

 与商业软件对比——结构强度分析

 与商业软件对比——优化设计

前后置处理：快速建模，界面简洁美观，可按照用户的规范与流程定制化开发；

强度分析：静力分析效率高于商软，具备工程模型库（工作应力模拟得更准）和强度试验数据库（许用应力更准）；

优化设计：国内航空界最权威、应用最广泛的优化工具，融入多个航空型号的成功经验，优化模型快速生成，大变量敏度高效求解，优化报告自动生成，相关算法与软件已经被写入飞机设计手册。

HAJIF软件产品销售升级

(1)结构优化设计功能优于同类商软；

(2)强度试验数据库与工程模型库：提供模型验证与精确预估破坏功能。

专用系统定制开发

(1)国内唯一的一支成建制的计算结构力学研究团队，具有力学、计算机、数学等学科知识，综合能力较强的软件开发团队；

(2)四十年CAE软件开发积累的大量代码、文档和功能模块。