我是如何开发有限元软件的

关键词：国产CAE，ABAQUS，工业软件，产品经理，有限元

1. 误打误撞又合情合理

未来的五年，你觉得你会在干什么？老实说，我心里是没有答案的。在百年未有之大变局的环境下，“确定性”是个稀缺品。

18年我刚从航空院校毕业那会，从未想到不到十年后的今天是这个样子。按照不知多少届师兄师姐的从业经验，我进入飞机设计单位以后，就踏踏实实的从助工到工再到高工一步步往前走，或者从科员到科室主任再到部级领导慢慢往上爬。在型号研发中发光发热，航空报国嘛，没什么新鲜，身边的人都这样过的。

之前的文章中提到，我当时铆着劲从0开始搞飞机结冰软件（我是如何开发飞机结冰软件的）。型号任务虽然重，但是出于对未来的美好设想，年轻人总是有使不完的劲。除了结冰软件，我一直没有丢掉自己专业的复合材料力学，花了很多时间研究本构模型，像疲劳寿命、冲击、网格算法、二次开发都是那会打下的基础。

也设想过干个5年以后换工作，但是当时的目标范围仍旧是专业相关的院所。房子反正是买不起的，且熬着吧。

就在一切按部就班，天天加班，日子毫无波澜的时候，时任美利坚总统唐纳德·特朗普向东方大国发起了贸易战。

每天加完班走的路

一时之间，风声鹤唳，包括芯片在内的所有高端工业都受到了影响。

在这个背景下，工业软件开始进入大众视野，大家开始审视自己学习工作中最重要的工具，内心不禁发问：如果没有这些软件，我的工作还怎么开展？

我也不禁发问，如果没有了CATIA，没有了‌HyperMesh‌，没有了ABAQUS，没有了Fluent，我能干什么？推导一些公式倒是也没问题，不过算法也是用MATLAB在跑。

当然，后来我们知道了，力学方向的工业软件大砍刀一直没砍下来，我们也接着奏乐接着舞了挺多年。

但是在当时背景下，开发国产CAE软件成为大家不得不重视的事情。我的能力更是很有限，一个结冰软件已经搞的我要死要活，我能做的一些小工作无非是对ABAQUS做一些二次开发。

再加上，我也不想离开心爱的飞机设计工作，也就没有想到要去搞工业软件。

直到20年。这实在是个神奇的年份，现在想想，好多事就是从那年开始变了。原先认为理所应当的逻辑，在那年以后突然就拐弯了。天南地北的试验、试飞、隔离、流程、报告，我开始审视自己的生活，难道就要这么过一辈子吗？

监狱一样的出差宾馆

几年了，苦点累点都没问题，主要这点微薄的收入也就勉强养活自己，想回报父母太难了，成家立业更是想都不敢想。那时候毕竟还是年轻，总觉得不公平，哪里都不对劲。费劲巴拉高考考了1000多名，本科踏踏实实学习，研究生拼死拼活做实验，工作了也是满腔热血的投入，依旧看不到希望（这只是当时的想法，现在看来，这种才是生活常态，人中龙凤尚且举步维艰，遑论我等平凡人）。

人教人教不会，事教人一遍就会。突然就不想干了，我是行动派，说不干立马就开始投简历。当时还没有低空经济这个概念，无人机口子的钱并不热。面了一堆，发现大部分也都是草台班子，工资又低，不觉得有什么前途。

刚好面到一家做工业软件的，我也没报啥希望，毕竟我也不是专门写软件的，当时能熟练掌握的语言也就是Matlab。

随橙想呢，我开发结冰软件的经历让对方很感兴趣，并坚信我一定能胜任软件的研发工作。

就这样我正式进入了CAE软件开发领域。

拜拜了，我的飞机设计。

2. 气氛烘到这了，开始写代码

工作一换，换回了读大学的城市。熟悉的感觉，熟悉的味道。

岗位还是要先适应一下，我的岗位是产品经理。熟悉了飞机研发那一套的我，对这个岗位是非常的陌生，它听起来太“商业了”。产品经理一般指的是互联网公司的岗位，负责产品设计，开发协调。

我上网一搜，搜到的都是大家怎么吐槽产品经理的。一般都说他是三头忽悠。对外忽悠客户，对内忽悠研发，对上忽悠老板。看起来，这份工作对我来说非常具有挑战性。

当时公司要开发一套管道应力分析软件，专门用于电力、石油、天然气等管网系统的应力安全评估，对标的是美国CAESARII管道应力分析软件。

和同事交流发现，其实也没有那么可怕，我这个岗位就是干“杂活的”。了解精品软件，研究它的特点，然后设计我们自己的软件架构和交互逻辑。再带着大家按节点干活。

实际上，这个时候在国内，工业软件要怎么干，也没人说得清，自己摸索呗。研究国外软件是我的专长，搞结冰软件的时候，我把NASA软件能了解的东西都深入研究了一番。搞ABAQUS二次开发，把ABAQUS的软件逻辑和特点都掌握了。

在这个过程中给我启发最大的，不是软件的设计开发，而是我开始了解到工业软件的行业性。搞航空航天久了，以为CAE软件无非就是ABAQUS、ANSYS、NASTRAN。当然，这些软件当年的起步都和航空航天需求脱不开关系，这也造就了他们在这个领域的绝对主导地位。

然而大量的民用行业，对仿真的精度需求没有那么高，他们最需要的是好用，算的快。所谓的好用就是完全贴合他们行业特点，比如如何快速建立管道并赋予保温层等等有管道特点的参数，不需要画网格，他们不关心网格。更关键的是，仿真要根据行业标准快速完成安全评估，软件里面如果没有嵌入行业标准约等于没有用。

这些工作如果用通用软件来做就费劲了，复杂的管网在建模、网格那块前处理就需要花费大量时间，对设计人员来说太复杂太耗时。

我负责的研发团队，当时缺了不少人手。我手里只有能做界面交互和三维视口的工程师，没有做前后处理算法和求解器的人。

缺人就缺人吧。一顿研究以后，我设计好了软件界面。这个时候我对前端还不是很熟悉，想当然的期待前端能赶紧做个样子货出来。后面求解器的人一到，就像给飞机装发动机一样，它很快就飞了嘛。

很快工程师告诉我，他们做不了太多工作，因为后端的人没有，他们不知道数据格式怎么设置成后端需要的样子，做了以后万一后面要改，他们还要重新做工作。

我第一反应是很生气，这特么就是玩不下去了呗，总不能天天坐着不干活吧，欺负我不懂忽悠我是吧。我可不是娇滴滴的...，我可是搞飞机搞力学的，有的是技术和手段。

不就写代码吗，我也写，不让用MATLAB，我就学Python，拢共就花了半天时间弄清楚了基本语法。第二天我就开始写前后处理。

首先我要做的是，打通美国CAESARII软件和我们软件的数据接口，让用户能把他们建好的模型导入到我们的软件。尽管我有ABAQUS inp的二次开发经验，也算熟悉这类问题。可是真做起来，才发现事情远不止这么简单。

主要是管道的类型太多了，不同类型的管道它的参数是不一样的。这就导致CAESARII软件的数据格式存储很怪异，它好像每次为了适应新的管道类型，就在原数据格式基础上打补丁。

我需要梳理清楚不同管道、不同材料参数、不同边界条件的格式，然后再动手写解析代码，这个过程花了大量的时间。刚好那会隔离在家一两个月，我有充足的时间整理和编写代码。为了防止自己在家太久了没状态，我每天早上起来像平时上班那样穿戴整齐，衬衫皮鞋。

另一方面，我根据自己了解到的数据格式，和前端一同确定了数据交互格式，就这样推着项目往下走。

3. 产品经理的日常

软件搞着搞着，我发现搞中间处理模块（我管它叫接口）是工业软件最大的工作。通过接口，可以打通建模到视口，前端到预处理，预处理到求解器，求解器到行标校核，再到选型等等工作。没有它，软件就串不起来。在这个过程里面，我了解到工业软件几个最基本上的东西：前端交互、三维视口、求解器、前处理、后处理。

在与大家的日常沟通中，我半学半不学的从他们身上学了不少开发知识。果然，写代码只有0次和无数次。在长期缺少求解器人员的时间，我又开始写起了求解器。管道应力软件用到的是三维梁单元求解器，当然要针对不同的管道类型开发专门适配的特殊梁单元，也就是从这个时候开始，我开始走进求解器的开发。除了梁单元，我还探索了非线性实体单元。

慢慢的，产品经理的生活开始步入正轨。白天，掐着点到公司上班，冲上咖啡，敲代码。敲一会，再给处成兄弟的同事一个眼神示意，一起去楼道修炼吞云吐雾。

下了班，自己在家就简单喝点。兄弟、同学喊吃饭，就出去喝点。期间还一度迷上了组装手表，每天回家捣鼓到半夜。

周报，我定好格式，大家每人填一下，然后我给Boss汇报。客户那边有啥需求我都去应付一下，产品宣传各种图我来弄，文案我来写。果然变成了三头忽悠的状态。

4. 从必然王国到自由王国

就这么过了快两年，这个软件在我手里从无到有，从0到迭代3个版本。却始终面临一个尴尬的问题，没人真的下单。谈的的人不少，下单的却很少。

问题出在哪呢？不光我负责的这个软件，其他软件也是一个样子。不光我们公司，其他公司也是。

问题还是出在特朗普。制裁的大棒一直没有真正砍到工业软件，大部分的工业软件还是该用就用。老拜登上台以后，搞脱钩那一套，所有的东西都是慢慢推进。一时间，似乎工业软件国产化替代不是件很着急的事情了。

国外的软件用着挺好的，干嘛要换。纵观ABAQUS、NASTRAN、ANSYS的发展，契机都是项目牵引，且当时这类软件处于空白，大家没得选。用着用着，软件才慢慢发展起来。

如果把他们放到现在我们同样的境遇中，也是很难发展的起来的。没人愿意用，就很难发展。

作为一个还有些学术追求的人，开发CAE软件带来了很爽的体验。按照以前的经历，难的东西可以发好论文，有了好论文，可以评职称。即便换了公司，软件不会跟我走，但是论文的署名还是我。

但是到CAE软件这里就不是这么回事了，有限元的基本理论已经很成熟，国外都有这么多成熟的商业软件了，想在国外期刊发出高水平的论文就很难。

我也尝试投稿过国内“算法”、“软件”类的期刊，得到的回复不是“与期刊研究方向不符”、就是“没有创新点”。得嘞，国内这些期刊也是指望不上。

一方面公司这块软件一直没有收益，另一方面开发软件积累的技术也没有办法变成自己的学术资历。我开始思考，如果继续这样走下去，能否长远。

这个时候我已经彻底喜欢上了CAE软件开发，以前我们用国外的高端软件才能做模拟计算，现在我们自己写的软件也能实现这些功能。以前是必然王国，人家软件有啥功能我们用啥。如果想自己增加点功能，还要花费很大力气学习软件接口，搞二次开发。搞完还觉得自己很高端，都能二次开发了。而现在，我们自己开发了软件，原本需要很费劲的二次开发功能，在自己的软件里轻轻松松的就能加上去，这是自由王国。

一旦尝试了自由的滋味，就很难忘得掉，或许我该换一种方式来搞软件了。

经过思量，我得出一个结论：只要有一个不是很忙的和科研相关的稳定工作，我才可以利用业余时间自己开发有限元软件。

在这个思想的指导下，我又回到了科研院所工作。但就软件开发来说，我从一个团队回到了一个人的状态。

我需要解决的首要问题就是全栈自研。求解器和前后处理模块我都可以自己写，最麻烦的是前端和三维视口。

刚好这个时候，ChatGpt横空出世。尽管那个时候，它还远远不像今天这么强大。但是有了ChatGpt的帮助，和以前同事的技术支持，我慢慢掌握了三维模型解析、模型渲染、模型交互。

前端相对来说要好学一些，QT所谓的信号-槽机制还是很容易上手的。大约一年左右的时间以后，我基本能独立开发CAE软件了。

5. 有限元软件与副产品

有了基本的技术以后，刚好单位这个需要开发各种软件，有仿真的，有测控的。静界有限元与您共研工业软件技术

我以前积累的梁单元技术，用在了转子轴系标高设计上。通过有限元加迭代算法，可以快速给出每个转子的安装标高。要是在以前，我肯定要费劲心思去通过ABAQUS搞二次开发。

前端和三维视口则用在了测控软件上，可以把试验采集数据实时映射到三维模型上。

就这样，我硬生生的从一个机械设计岗干成了软件开发岗。

当然，我没有忘了我学这些技术到底是为啥，我是要自己开发一个有限元软件。已有经验已经表明，搞通用软件肯定是死路一条，基础功能没人会买单。

搞行业软件，可能也是死路一条，因为国外软件现在卖的也不贵，大家还是倾向用国外软件。

好像两头都是死路，既然如此，索性搞一个自己能用到的软件。

我自己是搞复合材料力学出身的，做强度、疲劳等仿真的时候，都是基于ABAQUS的UMAT/VUMAT完成。但是UMAT/VUMAT这些子程序与ABAQUS 铺层模块互斥，而实体单元在处理复杂铺层的时候要么不好键网格，要么不好设置局部坐标系，要么就是网格量过大。

于是我萌生了开发一个复合材料壳有限元软件的想法，把我之前写的一些损伤、失效、疲劳、固化变形的本构放进去，计算效率远远高于实体单元，这样就具有了实际工程价值。（我为什么研发一个工程壳有限元软件）

壳是膜单元和板单元合并成的。相比于实体单元，壳是一种更高级的单元。“高级”体现在抽象能力：能用更低的维度、更小的代价，精确捕捉弯曲、翘曲等关键行为。壳单元“天生就知道”如何高效、准确地计算弯曲。它把复杂的厚度效应，提炼成了旋转自由度等概念。这相当于一个专用求解器，比实体单元更聪明，但是开发难度也更高。

在开发的时候，和实体单元比，壳和梁单元都有一个问题，就是局部坐标系和整体坐标系的转换。在做刚度矩阵的时候，需要从局部到整体。在计算应变的时候，又要先把整体坐标系的位移转换到局部。更关键的是，由于铺层角度的存在，又增加了一个变换。

有了前面的积累，这个时候我开发软件就从容多了，先给软件的1.0做了定位和画像：

1）具备模型解析、网格离散、铺层定义、材料定义、边界条件定义、三维视口交互、复合材料壳求解器、云图渲染、动画等基本功能。

2）具备渐进失效的非线性模拟能力。

3）网格离散的通用性决定了需要使用三角形单元。但三角形单元的壳，其刚度矩阵比四边形更复杂，三角形壳单元使用面积坐标，其导数与几何形状的关联更复杂。为了得到精确的刚度矩阵，通常需要Hammer积分（3~7个积分点），且雅可比矩阵的表达式更为繁琐。

为此，软件开发的第一步不是写代码，而是推导刚度矩阵。