引言
「以史為鏡，可以知興替」，學習歷史、從歷史中取得借鑑，是人類社會一個永恆的主題。在我國自主結構分析軟體發展的關鍵時期，充分了解國外結構分析軟體發展演化的歷程，對我國自主軟體的發展具有重要的指導意義。
結構分析軟體誕生於航空航天工程中複雜裝備研製對結構性能仿真分析的需求，目前已經廣泛應用於航空、航天、船舶、軌道交通、汽車、電子產品等多個領域，成為先進位造業提升產品性能、節省製造成本、縮短研發周期的核心能力之一。
結構分析軟體從上世紀60年代誕生到今天已經經歷了近60年的發展歷史，大致可分為軍工驅動（1960S-1980S）、持續支持（1980S-2000S）、市場推進（2000S-2010S）、重組壯大（2010S-今）四個階段。
國外結構分析軟體發展歷程
1、軍工驅動（1960S—1980S）
1956年，美國波音公司M.J.Turner等幾位專家，為飛機研製開發了一套內部有限元程序，用於翼面結構的強度計算，開創了結構分析軟體先河。他們將這項工作發表了名為《Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures》的論文，文中把這種解法稱為剛性法(Stiffness)，引起工程界轟動。人們發現利用這種方法來求解不同結構體狀態的基本控制微分方程時不需要複雜、獨特的技巧，對求解各類力學問題表現出廣泛的適用性，隨著計算機和程式語言的普及，這種革命性的方法立即受到工程界廣泛的關注。
1966年，美國航空航天局（NASA）為滿足阿波羅登月項目中對結構分析的迫切需要，美國政府組織開發了第一個工程實用的結構分析軟體NASTRAN（NASA Structurla Analysis），用於計算不具有可試驗性的飛行器結構。1969年NASA推出其第一個NASTRAN版本，即NASTRAN Level 12。在登月計劃完成後，為了滿足美國的市場戰略需求，美國政府將NASTRAN的原始碼在美國公開，MSC公司被指定為NASTRAN的維護商。
圖1：結構分析軟體起源於重大裝備研製的需求
1969年，美國John Swanson博士建立了Swanson Analysis Systems Inc(SASI) 公司，開發STASYS (Structural Analysis SYStem)軟體，可計算核子反應火箭的結構應力和變形，後發展為商用結構分析軟體ANSYS。
圖2：ANSYS軟體
1972年，David Hibbitt在美國布朗大學完成其博士論文，這期間他和他的導師開發了非線性有限元軟體MARC。其後，David預測未來工業界將對結構分析軟體提出更高的要求（事實證明這個預測是非常正確的），而當時的MARC軟體在規模、精度和可靠性上均不足。由於David與其導師在是否深度改造MARC上產生嚴重的分歧，David後來成立HKS公司，研發另一套非線性軟體ABAQUS。他的第一個客戶是美國西屋核電公司，軟體可計算核反應堆中核燃料棒的接觸、蠕變和鬆弛等問題。
圖3：ABAQUS軟體
1976年美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室J.O.Hallquist主持開發了LS-DYNA的研製，主要目的是為核武器的彈頭設計提供高速碰撞、爆炸等分析工具。比較有趣的是，雖然DYNA軟體在很長一段時間內都是作為開源程序，在美國各大高校廣為流傳和迅速發展，但DYNA程序首先被法國ESI公司商業化，命名為PAM-CRASH。
1980年，美國洛馬公司為解決C系列運輸機的氣動彈性問題，研發TSO軟體，具備機翼氣動彈性綜合設計能力。
1980年，美國空軍懷特實驗室為解決X系列飛行器超重問題，研發ASTROS軟體，具備多學科分析和設計能力。
2、持續支持（1980S-2000S）
這個階段是國外結構分析軟體的成長壯大期，軟體的功能、性能、可靠性迅速完善，這個階段的關鍵因素在於政府的引導和科研計劃的鼎力支持。在國家戰略層面，美國一直把科學計算和建模仿真作為服務於國家利益的關鍵技術，美國「競爭力委員會」白皮書《美國製造業——依靠建模和模擬保持全球領導地位》，將建模、模擬和分析，視為維繫美國製造業競爭力戰略的王牌，結構分析軟體也是美國重點支持的方向之一。
圖4：美國政府相關政策
1983年美國在「拉克斯報告」中強調，科學計算是關係到國家安全、經濟發展和科技進步的關鍵環節，是事關國家命脈的大事；
1984年美國國家科學基金會（NSF）成立「先進科學計算辦公室」全面指定高級計算科學發展規劃；
1987年NSF把「科學與工程計算」作為三大重點支持領域之一；
1991年「高性能計算與通訊HPCC」計劃旨在探索採用計算方法解決科學與工程中的重大挑戰，投資重點為先進軟體技術與並行算法；
1995年實施「加速戰略計算創新計劃ASCI」，致力於開發高級應用軟體，建立解決問題的環境；
1995年10月國防部制定了一項《國防部建模與仿真主計劃》為基於仿真的採辦提供了框架和基礎設施；
1999年，美國發起IT2計劃，重點向用於科學工程和國防的高級計算等三個領域進行投資；
2004年總統信息技術諮詢委員會報告指出，對數學和計算科學算法的持續開發和改進是未來高端體系成功的關鍵；
2005年總統信息技術諮詢委員會指出「為確保美國競爭力，計算科學已成為科學領導地位、經濟競爭力和國家安全的關鍵」；
2006年，NSF發布《基於仿真的工程科學》，指出計算機建模與仿真，是工程和科學取得進步的關鍵因素，建議加大研究投入；
2009年，美國「競爭力委員會」白皮書將建模、模擬和分析的高性能計算，視為維繫美國製造業競爭力戰略的王牌；
2010年美國NASA制定了未來20年航空航天飛行器建模、仿真的技術路線圖；
2012年，美國發布《國家先進位造戰略計劃》再次明確要重點發展數值模擬分析技術。
圖5：美國國家機構制定的研究計劃
通過政府引導，以及系列國家計劃的支持，結構分析軟體與裝備發展得到了天然的融合，在這一時期得到了長足的發展。
以美國NASTRAN軟體為例，MSC公司於1988年加入了新的單元庫、增強了程序功能提高了運算精度和效率，特別對矩陣運算方法進行改進；1989年形成了新的執行系統、高效的資料庫管理、更易理解的DMAP二次開發手段；1994年在優化設計、熱分析、非線性、單元庫、數值計算方法及整體性能水平方面有了很大提高；之後在非線性、梁單元庫、h-p單元混合自適應、優化設計、數值方法及整體性能水平方面均進行了改進和增強。
3、市場推進（2000S-2010S）
這個階段隨著現代工業產品的複雜性和成本不斷增加，產品的性能、價格和研發周期面臨著更多的挑戰，對結構分析軟體提出了大量的需求。在旺盛的工業市場需求推動下，美歐等國大量的結構分析通用/專用軟體湧向市場。除了常規的結構數值模擬之外，已經擴展到對產品未來的工作狀態和運行行為的模擬仿真，可及早發現設計缺陷，改進和優化設計方案。
這個階段結構分析軟體已經深度融入工業產品的全生命周期中，成為研製先進產品的必備工具之一。這些軟體的應用推進了結構分析軟體在工業領域的應用，但也暴露出多個軟體架構/模型/數據不統一的弊端。
圖6：市場推進階段的結構分析軟體
4、重組壯大（2010S-今）
在數字化研發模式驅動下，多學科/多專業/多物理場耦合成為新的發展趨勢，商業CAE公司利用資本手段進行大量的兼并與收購，完善其產品線和功能布局，將功能各異的分析軟體整合成為「大系統」，在統一的軟體架構上不斷完善其產品功能性能。
1989年MSC通過兼并荷蘭PISCES而進入高度非線性分析市場；1998年MSC又兼并2D和3D運動學仿真軟體的開發者Knowledge Revolution公司；1999年收購了兩家小而有特色的公司（UAI和CSAR），從此，MSC成為市場上惟一一家提供Nastran商業代碼的供應商；同年，還一口氣吃掉了第一個商業非線性有限元程序MARC；2002年，MSC以1.2億美元收購世界著名虛擬樣機仿真軟體MDI公司，其中最大的寶貝，就是大名鼎鼎的機械系統運動學、動力學仿真分析軟體ADAMS被收入囊中，這成為MSC分析體系中一個重要的組成部分；同年MSC公司收購波音公司的Easy5軟體，2011年和2012年，MSC分別收購了比利時著名的聲學軟體公司FFT（自由聲場技術）公司和高端材料仿真領域廠商e-Xstream，2016年MSC軟體公司收購焊接與成型仿真領軍企業Simufact；但在2017年，MSC被與CAE關聯度極低的瑞典著名測量設備製造企業海克斯康以8.34億美元收購。
圖7：MSC軟體兼并路線圖
2000年開始，ANSYS進行了一系列收購，包括：ICEM CFD Engineering、法國的CADOE;2003年，ANSYS公司出資2100萬美元收購AEA公司的CFX軟體業務;2006年，ANSYS公司已成功完成對Fluent的收購活動，共花費六百萬股普通股和2.99億美元的現金;同年ANSYS又收購了Century Dynamics公司，將高速瞬態動力分析軟體納入到ANSYS的分析體系中;2019年，ANSYS公司再次收購衝擊分析軟體DYNA，不斷擴大其產品線。
圖8：ANSYS軟體兼并路線圖
2005年，達索公司收購ABAQUS軟體，並創建SIMULIA品牌，建立了功能仿真的核心平台；2006達索收購瑞典的工程仿真環境開發商Dynasim AB，獲得建模語言Modelica；2008年達索收購Engineous公司，獲得了集成設計和多學科優化軟體Isight，增強了其在仿真生命周期（SLM）對數據、過程、工具和智慧財產權集成優化的能力；近年又陸續收購塑料注塑仿真技術Simpoe、多體仿真SimPACK、高度動態流體場仿真領域Next Limit Dynamics等軟體。
圖9：Dassault軟體兼并路線圖
重要啟示
雖然國情和所處的歷史時期不同，但通過研究國外結構分析軟體發展的軍工驅動、持續支持、市場推進、重組壯大四個階段的關鍵成功要素，對我國自主結構分析軟體的發展有諸多有益啟示：
1）結構分析軟體的本質是具有核心競爭力的工業技術，與工業裝備的研製和發展密切相關。
從起源來看，結構分析軟體來源於裝備的需要，應用於解決裝備的問題，因此，脫離了本國工業實際情況的結構分析軟體無法形成國家核心的戰略支撐能力，強大的中國必須要自主研發世界一流的結構分析軟體工具。
2）科學計算能力是國家的核心競爭力，結構分析軟體具有極其重要的戰略地位，需要政府持續引導和支持。
從國外結構分析軟體成長壯大的軌跡來看，在國家戰略層面，美國政府長期以來將科學計算和建模仿真作為服務於國家利益的關鍵技術，從未停止過投資；同時由於結構分析軟體的研發是非常複雜的系統工程，既需要基礎性和專業性的工業技術，包括數學、力學、運動學等學科的最新成果，也需要實用性和先進性的軟體技術，因此需要國家從宏觀層面協調各種資源，進行持續引導和支持。
3）市場化推廣是結構分析軟體生命力的重要保障。
從國外結構分析軟體的發展歷程來看，軟體的發展始終是以工業需求為導向的，只有通過市場化手段及時掌握工業領域的最新需求，不斷吸收先進的科研技術成果，持續優化和提升軟體功能、性能，形成閉環才能保證軟體旺盛的生命力；也只有通過大量用戶的反覆使用、糾錯和反饋，軟體才能逐步完善從而一步一步走向成熟。同時，市場化推廣可以為軟體可持續研發提供資金支持，是促進軟體良性循環的最佳途徑。
參考文獻
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