工科神器Matlab被禁用，浅谈多物理场耦合仿真的Plan B

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一、工科神器Matlab被禁用

近日，哈工大，哈工程等高校被禁用Matlab引发了国产工业软件现状的大讨论。众所周知，中国已经是世界工厂，不过离中国创造还存在不少距离。华为事件发生以后，半导体行业在国家大基金买买买的过程中，仿佛已经看到不久的将来，国产芯片正面刚intel，高通，德州仪器等各大美国公司的希望。但是，当前国内工业软件行业与美国的差距，要远大于半导体行业。如果说芯片半导体行业，中国当前现状评分是10，那美国可能是100；换成工业仿真软件，假设美国还是100，中国评分则大概率不超越0.1。

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Matlab软件是典型的工业软件，“工科神器”的价值绝不仅仅体现在便捷的数据处理上，一不小心使用盗版Matlab绘制的图像发表在学术论文上，还没毕业就变为“负翁”的故事只可能是个段子。因为个人用户的版权索赔往往收不到足额的赔偿金，仅仅成本的角度考虑，MathWorks也不会起诉个人用户。

Matlab的价值更多的体现在上图中的各式各样的工具箱中，因为这些工具箱toolbox都是实际应用过程中迭代多年才最终应用到工程实践中，其中包括一些最终成型独立出去的大型专业软件。

例如主打多场耦合仿真的comsol最初的版本就是Matlab的有限元求解工具箱FEMLAB；基于Simulink的自动驾驶工具箱Automated Driving Toolbox可以批量基于实车数据构建驾驶场景；Aerospace Toolbox则提供飞行力学相关的各种建模工具和仿真计算方法；Matlab for Deep learning的上手学习难度远远小于Tensorflow等其他深度学习算法包；CFD toolbox for matlab则在流体机械，化工机械等行业有着重要的应用。

总而言之，Matlab可能是应用最为广泛的工业软件，工科神器的称号，绝非浪得虚名。

Matlab被禁用因为高校用户占大多数，因而讨论的热点大多集中在以后用哪种替代软件，能够方便地处理数据，绘制图表。

其实，工业软件更广泛的应用，一直都是西门子，达索，GE，罗罗，普惠，西屋，洛克希德-马丁等工业集团的在产品研发过程的秘密武器，以西门子的仿真平台MindSphere为例，从设备制造，到系统集成，再到最终客户，几乎全部的需求都能在MindSphere平台中实现。

类似的达索有3DEXPERIENCE平台，卖身海克斯康的MSC虽然慢一步，但也有MSC.Apex平台，而以多物理场为亮点的ANSYS则在买买买的过程中，不断的致力于将自己的亲儿子workbench打造为最好用的工业软件（虽然一直未能成功）。

假设某一天这些工业软件都被禁用了，国内的制造企业是不是真的就毫无还手之力？其实，情况并没有预期的那么糟糕。笔者尝试从自己熟悉的多物理场耦合问题出发，抛砖引玉，从多物理场耦合问题，多物理场耦合仿真软件的发展现状以及当前国内最具可执行性的Plan B计划，这三个方面展开讨论。

二、多物理场耦合问题

过去的几十年中，人们在许多计算学科领域都进行了深入的研究并且取得了一定的研究成果，例如计算流体动力学，计算结构动力学以及计算电磁学等。每一个单独的学科的计算方法也都已经相对比较成熟，能够对大量的问题进行可靠的模拟。

然而，在许多科学研究和工程应用领域里，单一学科的仿真分析已经不能满足人们更详细更准确的要求。在现实世界中，许多现象是多个物理场相互作用不可分割的。例如，多物理场耦合问题中最常见的流固耦合问题，固体结构在流体载荷作用下产生变形或运动，而固体的变形或运动又会影响到流体流动的状态，固体和流体是相互作用相互影响的，这种物理系统的耦合就是通常所说的多物理场耦合系统，分析起来比单独去分析一个物理场要复杂得多。

比如液晃问题。随着液体推进剂不断燃烧，火箭的重心将不断变化，改变火箭的结构动力学特性，同时，火箭动力学响应又反过来影响液体推进剂的晃动。因此分析火箭运动稳定性和姿轨控系统可靠性时，必须考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应。

又例如热气动弹性问题。运载火箭在大气层内飞行时，由于飞行速度非常高，火箭与空气剧烈摩擦产生大量的热，使得火箭的气动加热问题变得十分突出。气动热将使运载火箭外层逐步升温，并产生热应力，从而影响结构的力学性能，改变其气动弹性性能（即改变壁板的颤振临界速度）。

三、多物理场耦合仿真软件的发展现状

流固耦合问题是工程应用中最为广泛的多场耦合问题，因此绝大多数耦合仿真软件开发初期，均是以流固耦合问题为研究对象。随着多物理场耦合问题日益受到重视，也推动了计算机并行技术以及耦合理论的快速发展。

目前，ANSYS、ADINA、COMSOL等商业仿真软件都开始加入并行计算、多物理场的耦合计算功能；一些专门用于实现多个单场分析软件间弱耦合分析的软件也应运而生，典型的如MpCCI。这些都为多物理场数值模拟推广与普及提供了基础条件。

而近几年来，多物理场耦合仿真软件的开发应用，则更多地向人性化、便利化及多领域化方向发展。例如2011年底推出的ANSYS14.0版本中，发布了System Coupling模块，可以方便地实现Fluent与ANSYS Mechanical的双向流固耦合计算，大大降低了多场耦合分析对工程应用人员的要求。其后2015年推出的ANSYS16.0，在结构、流体、电磁、多物理场耦合仿真、嵌入式仿真各方面都有发展，并推出了创新性沉浸式仿真环境ANSYS AIM™，降低了多物理场仿真的入门门槛。无独有偶，2013年，COMSOL推出的COMSOL Multiphysics 4.3b新版本中，新增了5个专业模块：多体动力学模块、波动光学模块、分子流模块、半导体模块、电化学模块。

四、多场耦合仿真的Plan B

多场耦合仿真的Plan B计划在哪呢？

国外关于多场耦合仿真技术在多种领域的研究较早，并且经过多年的尝试和优化，现已广泛地应用于航空、航天、汽车、兵器、核电、船舶等多种领域。国内关于多场耦合仿真技术在多种领域的研究相对起步较晚，目前对各个领域多场耦合仿真技术的应用还主要处于尝试和研究阶段，在实际工程中的应用还有待进一步的开展和推广。

笔者以已经实现工程应用的工业软件，开源多物理有限元框架平台MOOSE，中核集团自主研发的核电专用设计分析系统软件包NESTOR，英特工程仿真公司研发的INTESIM这三款多物理耦合仿真程序展开讨论。

2011年7月，为了重塑美国在核能研发领域的领导力，美国能源部启动了CASL计划，该项目由橡树岭牵头的4个国家实验室，麻省理工为代表的3所大学以及多个核工业企业及组织组成的先进仿真建模中心负责实施。

该项目的目标是通过借助于快速提升的高性能计算能力，构建一个基于科学建模和超级计算技术的高分辨率虚拟数值反应堆，用于模拟极端条件下的反应堆工况，预测核事故发生的概率，实现多物理过程的耦合，减少工程设计裕量，提高燃料利用率，进一步减少高放废物量，做好废物的回收再利用和储存处置。

如下图所示，CASL计划项目涉及包括材料性能优化、模型与数值方法（粒子输运和热工水力）、虚拟反应堆集成、验证及不确定性定量化以及先进模拟应用等５个主要板块的内容。

整个计划堪称是最为豪华的工业软件研发计划。其中，对于国内多物理耦合仿真分析Plan B计划最大的助力在于美国爱达荷实验室开源的，基于有限元方法，JFNK算法的开源平台MOOSE。其中MOOSE平台的结构示意图如下。

MOOSE平台的设计主要有如下三个特征：

1、借助了现有的众多开源软件，如开源有限元包libmesh,求解包PETSc等；

2、其设计用来减少开发新软件的时间和消耗，这是与商业有限元软件COMSOL及ABAQUS等最大的不同；

3、使用鲁棒性强的求解器，注重并行计算功能，设计模式便于扩展及维护
MOOSE平台主要有如下功能：

可以求解一维，二维，三维问题；
基于有限元方法，包括连续和间断Galerkin及Petrov Galerkin方法；
全耦合全隐性求解；
支持读取多种格式网格；
网格自适应性功能；
并行计算；
P型自适应性；
内嵌的后处理；
支持弱耦合，MultiApp功能。

MOOSE平台作为最新研发的核电仿真平台，采用了最新最前沿的各项技术，把工业软件在实际工程中的作用，提升了不知一个档次，就像是SpaceX最新发射的载人龙飞船，豪华，现代，科幻。非常适合作为Plan B 计划的首选。

在核电工程的开发与运行过程中，反应堆系统专用设计分析与运行支持计算软件一直发挥着至关重要的作用。依托自主研发的“华龙一号”，中核集团开发了核电专用设计分析软件包NESTOR，包含核反应堆物理设计软件、屏蔽与源设计软件、热工水力与安全分析软件，燃料元件相关设计软件、系统与设备设计软件、核电厂运行支持软件、工程管理软件7个专业领域的专用软件。

NESTOR运行在NEPRI平台上，而NEPRI平台则集成在银河高性能计算机系统上，该硬件系统具有优异５３５的硬件与网络集群架构，采用适合进行超大规模并行计算的新一代Linux操作系统，支持OPENMP，MPI等并行运行环境，为软件包提供了高效、稳定的硬件运行支撑环境。

其中，NEPRI为众多计算软件提供统一的软件配置集成、用户与数据管理工具，实现了多用户环境下软件资源、设计数据、设计流程集成。而NESTOR实际结构如下图所示，核电工程关键环节，如工程设计，安全分析，核电厂运行支持等，全部可以用集成在NEPRI平台上的NESTOR完成设计和仿真分析。

NEPRI平台上的NESTOR虽然不如MOOSE平台那么科幻，但也可以实现工业软件的实际功能，就像俄罗斯的联盟号载人飞船，稳定可靠，质优价廉。

当然，国内多场耦合分析软件自主研发也有新的进展，例如英特仿真公司自主研发的INTESIM软件，旗下的核心产品INTSIM-MultiSim实现了在统一的平台下集成5种不同物理场模型，可以实现最为广泛的多场耦合分析。

INTESIM虽然比不上美国投入大量资源研发的MOOSE，也比不了依托国家重点型号研发的NESTOR，但也有着高可靠，全自主，可实现项目定制开发的优势。在Plane B计划中也获得了一个稳固的位置，并且在将来的发展过程中，也许有机会能携手前面的两位重量级大哥，为多物理耦合仿真在工程实践中应用推广提供助力。

作者：wei_lewis 仿真秀专栏作者

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来源：仿真秀App

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首次发布时间：2022-08-17