仿真与数字制造平台介绍

随着美国“先进制造业国家战略计划”、德国“工业4.0”、英国“工业2050战略”相继出台，中国政府于2015年正式提出“中国制造2025”计划，全面推进实施制造强国战略，纲领性文件《中国制造2025》将智能制造工程明确为五项重大工程的主攻方向与核心。数字化设计与制造是智能制造的关键技术，而基于科学或知识的建模与仿真又是数字化设计与制造的基础，基于高性能计算系统、针对复杂过程的模拟仿真是高效数字制造的关键所在。

基于数值模拟与仿真的数字化设计已经成为针对复杂问题对象进行高效创新设计的必然选择，广泛应用于船舶、汽车、航空、航天、能源、生物等领域。国际上，借助数值模拟与仿真，波音公司在研究787客机时仅进行了11次风洞实验，是2005年研制767客机风洞实验次数的1/7；国内，三峡水轮机叶片、航空发动机单晶叶片、国产919大飞机等装备的成功研制也均得益于数值模拟与仿真技术的进步。然而，我国的数字化设计数值模拟与仿真平台并不成熟，自主数值模拟与仿真软件匮乏，大多数研究基于Fluent、CFX等国际商用软件展开，收费昂贵且对出售给我国的此类软件在并行效率与模拟精度上进行严格限制，相关研究长期受制于人。

数字化设计数值模拟与仿真平台主要围绕数字化设计数值模拟与仿真平台，开展平台体系结构研究，建立全生命周期管理模型和深交互开放式平台体系结构，提出模型/数据智能管理方法；设计面向领域的并行应用编程框架与高阶精度数值计算方法，突破大批量并发模拟作业的数值求解及前后处理并行优化技术，形成高效易用的自主数值模拟开发环境；开展面向复杂过程的精细物理数学建模研究，针对模拟对象建立精细的多尺度多相流、流固耦合计算、电磁分析等物理数学模型；开展基于数值模拟的总体设计优化方法研究，提出优化策略和算法，建立总体设计优化模型，形成总体设计优化集成环境；开展群体仿真技术研究，突破大规模并行、海量事件驱动、实时交互、群体智能协同等仿真技术，实现大规模并行群体仿真环境。最终建立以高性能计算为基础，以高精度数值模拟与群体仿真为核心，具有自主可控、集成开放、学科融合、精确高效等显著特征的数字化设计数值模拟与仿真平台。

数字化设计数值模拟与仿真平台将为军民各类装备的总体论证、研制试验和推广应用，提供高效数值模拟、设计与仿真手段，推动重大基础科学问题深入研究，促进装备设计理念和设计方法的重大变革，为智能制造创新发展提供重大基础支撑。研究院与军事科学院国防科技创新研究院杨学军院士团队合作开展“面向领域的多尺度并行计算框架与支撑技术”研究。目前已经形成了具有自主知识产权的多尺度大规模并行计算力学平台，并经过了严格的科学正确性验证。覆盖的算法有微观的分子动力学模拟、基于波尔兹曼格子和平滑粒子动力学方法的模拟、基于多组份复杂流体自由能密度泛函和非线性大分子动力学粘弹本构模型的介观多相场模拟、基于自适应计算网格有限体积和有限元方法的连续介质力学模拟等，其中国防科技创新研究院Exercise小组开发的HopeFOAM是一款基于任意高阶大规模并行可扩展有限元方法的计算力学软件，将为航空制造业、造船业、汽车制造业、泵业制造、医疗器械制造、风力发电、核电等智能制造领域提供技术支持。