從北京到東京，乘坐波音787，2300余公里，3小時(shí)30分鐘。

航空工業(yè)的發(fā)展縮短了世界的距離。

當(dāng)你注視著一架巨型噴氣式飛機(jī)從頭頂飛過(guò)，是否有思考過(guò)這樣一個(gè)問題：是什么支撐這架金屬材質(zhì)的龐然大物懸浮在空中？

答案是數(shù)學(xué)。

1738年，瑞士數(shù)學(xué)家丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）在專著《流體力學(xué)》（Hydrodynamica）中提出了“伯努利原理”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即流體的壓力會(huì)隨著速度的增加而減小。如今，這個(gè)原理常被用來(lái)解釋為什么飛機(jī)能夠飛起來(lái)——機(jī)翼上方的特殊凸起，讓流經(jīng)彎曲上表面的空氣流速比流經(jīng)平坦下表面的空氣流速更快，上下的壓力差所產(chǎn)生的升力讓飛機(jī)能夠起飛。

盡管伯努利原理并不能完全解釋“飛機(jī)為什么能飛起來(lái)”這個(gè)世紀(jì)難題，但風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等海量數(shù)據(jù)都證實(shí)了這個(gè)數(shù)學(xué)原理和飛機(jī)設(shè)計(jì)之間的緊密關(guān)系。

在航空航天領(lǐng)域，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)（wind tunnel test）是飛行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，即用人工制造的氣流來(lái)模擬飛行器周圍的氣體分布及流動(dòng)情況。這是一項(xiàng)非常燒錢的實(shí)驗(yàn)，有“風(fēng)洞一響，黃金萬(wàn)兩”的說(shuō)法。波音公司在研發(fā)波音767時(shí)，進(jìn)行了77次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；而在研發(fā)波音787時(shí)，實(shí)驗(yàn)的數(shù)字降低到了11次，大幅降低了研制成本，縮短了研發(fā)周期。這依靠的又是什么呢？

答案是仿真。

19世紀(jì)上半葉，由法國(guó)力學(xué)家納維、愛爾蘭數(shù)學(xué)家斯托克斯等人建立的流體力學(xué)模型Navier-Stokes方程，后來(lái)發(fā)展為計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD），讓工程師可以使用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)取代風(fēng)洞物理實(shí)驗(yàn)。

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仿真（Simulation），通俗來(lái)講就是虛擬實(shí)驗(yàn)，工業(yè)領(lǐng)域常用仿真代指以CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）軟件為核心的數(shù)值模擬技術(shù)。用計(jì)算機(jī)仿真模擬來(lái)替代真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)，特別是大型、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，可以大幅降低試錯(cuò)成本，提高研發(fā)設(shè)計(jì)效率。

仿真技術(shù)與制造工程的結(jié)合，就始于航空航天領(lǐng)域。1966年，為解決航空航天工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的迫切需求，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）主持開發(fā)了世界上第一款大型應(yīng)用有限元程序Nastran。這是CAE仿真軟件的起點(diǎn)。

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的高技術(shù)工程，涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料、傳熱學(xué)等幾乎所有重要的專業(yè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證環(huán)節(jié)。大到整機(jī)的飛行分析，小到每一個(gè)零部件的制造，都可以通過(guò)仿真技術(shù)來(lái)降本增效，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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如今，歷經(jīng)六十多年的發(fā)展，仿真技術(shù)的應(yīng)用已不局限于航空航天領(lǐng)域，正在賦能千行百業(yè)，造福千家萬(wàn)戶。

當(dāng)你駕駛著愛車飛奔在高速公路，有沒有想過(guò)這種安全、美觀、舒適的體驗(yàn)從何而來(lái)？

與飛機(jī)制造一樣，汽車研制過(guò)程中也涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、噪聲、熱力學(xué)等多個(gè)物理領(lǐng)域的復(fù)雜問題。隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，汽車正在向新能源、純電動(dòng)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域發(fā)展，仿真技術(shù)在汽車的輕量化設(shè)計(jì)、氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電氣化發(fā)展等方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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當(dāng)你使用手機(jī)聯(lián)絡(luò)、工作、娛樂，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備帶來(lái)的發(fā)熱問題是否讓你困擾？

這也是無(wú)數(shù)電子設(shè)備制造商正在攻克的難題。如今，電子設(shè)備朝著小體積、大功率、多功能的方向發(fā)展，隨之而來(lái)的是高熱流密度帶來(lái)的散熱問題。因此，在手機(jī)、電腦、機(jī)箱等電子設(shè)備的研發(fā)過(guò)程中，熱仿真成為必不可少的一環(huán)。

當(dāng)你沉迷于種菜、養(yǎng)殖等小游戲，是否想過(guò)虛擬養(yǎng)殖技術(shù)早已在現(xiàn)實(shí)中得到應(yīng)用？

現(xiàn)代化畜牧養(yǎng)殖業(yè)朝著規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展，對(duì)廠房建設(shè)、環(huán)境監(jiān)控提出了更高要求。利用仿真技術(shù)可以模擬各種畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)景，比如模擬飼料、水源、疾病等對(duì)畜禽生長(zhǎng)的影響，模擬不同溫度、濕度對(duì)廠房設(shè)計(jì)、日常運(yùn)營(yíng)的影響等，從而提高畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育水平，有效降低產(chǎn)業(yè)成本。

仿真，用數(shù)字世界的無(wú)限次試錯(cuò)，成就物理世界的一次成功。

無(wú)論是航空航天、軌道交通、電子信息等高端工業(yè)領(lǐng)域，還是農(nóng)業(yè)工具、生活用品制造乃至畜牧養(yǎng)殖，仿真技術(shù)的影響已擴(kuò)大到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。以仿真軟件為代表的工業(yè)軟件，已成為智能制造領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是目前典型的“卡脖子”領(lǐng)域。

當(dāng)前，工業(yè)軟件正在經(jīng)歷技術(shù)變革期?；ヂ?lián)網(wǎng)與工業(yè)滲透結(jié)合，“分布式”成為大勢(shì)所趨。仿真軟件正在從集中走向分布，越來(lái)越多面向行業(yè)的仿真軟件如雨后春筍般出現(xiàn)。未來(lái)，還將產(chǎn)生海量面向設(shè)備、產(chǎn)品、模型的仿真APP。仿真技術(shù)將實(shí)現(xiàn)普惠應(yīng)用，賦能每一個(gè)行業(yè)，每一個(gè)企業(yè)，每一個(gè)工程師。

翻看歷史，航空制造業(yè)是孕育工業(yè)軟件的搖籃，二者相伴一起高飛，造就了當(dāng)今世界航空領(lǐng)域美國(guó)波音和歐洲空客的兩極爭(zhēng)霸，以及一大批歐美工業(yè)軟件巨頭的誕生。

中國(guó)大飛機(jī)和自主工業(yè)軟件將飛向何方？

可喜的是，就在5月28日，中國(guó)大飛機(jī)C919圓滿完成全球首次商業(yè)載客飛行。浩瀚藍(lán)天中，除了A（Airbus，空客）和B（Boeing，波音），終于有了C（Comac，中國(guó)商飛）的身影。相信已經(jīng)起飛的中國(guó)大飛機(jī)，一定會(huì)帶著自主工業(yè)軟件一起翱翔。

參考資料：

[1]?林雪萍.工業(yè)軟件簡(jiǎn)史[M].上海.上海社會(huì)科學(xué)院出版社,2021:147-148

[2]?劉高升.普惠仿真 智造日新[J].清華管理評(píng)論,2020,11

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