科技日报记者 陈曦
日前，由国家超级计算天津中心主任杨灿群领衔，联合先进计算与关键软件（信创）海河实验室、国防科技大学等单位，历时十余年自主研发的多效应仿真CAE软件GalaxyEDS 5.0版本正式发布。新版本支持爆炸、冲击、燃烧等复杂现象的高精度物理仿真，总体技术达到国际领先水平，已成功应用于国防、公共安全和工业等领域，为装备研发设计、重要目标防护和毁伤效能评估等提供重要支撑。
CAE迫切需要国产化，打破国外垄断
工业软件是现代工业的根本，是连接数字空间与物理世界的核心枢纽。它通过在计算机中建立精确的数学模型，预测产品在真实环境下的行为状态，从而驱动高质量、高效率的工程创新，是现代工业的“灵魂”。
在众多工业软件中，计算机辅助工程（CAE）软件扮演着不可替代的角色。它基于机理分析和数值计算，模拟产品在结构力学、流体力学、热分析等多物理场下的响应，直接决定了工程方案的可靠性、安全性与性能边界。“尤其是在爆炸、冲击、燃烧等极端物理现象的仿真上，”国家超级计算天津中心主任杨灿群指出，“CAE是进行材料选型、结构优化和防护设计的‘数字实验室’，其重要性不言而喻。”
然而，当前全球CAE软件市场被极少数西方巨头垄断，美国、德国、法国等国家的企业占据了超过95%的市场份额。这种垄断格局，不仅暴露了我国产业链供应链的脆弱性，更在大国科技竞争的背景下，将我国国防工业和高端装备研发推向了危险境地。杨灿群解释，由于CAE承担着从机理建模到方案验证的最核心、最敏感环节，在航空航天、能源安全、装备研发等重要领域，继续使用国外软件意味着最敏感的设计数据和核心模型面临泄露风险。
“因此，CAE软件的国产化显得尤为迫切，这不仅是提升工程效率的问题，更是一场关乎国家安全与战略自主的攻坚战。”杨灿群坚定地说。
十七年磨一剑，攻克技术壁垒
研制CAE软件的难度之大，远超想象。这是一项以数学、物理和工程科学为底座的超复杂系统工程，其深度和广度构成了极高的壁垒。它需要将偏微分方程的数值离散、求解器的开发构建，与材料本构、湍流模型、燃烧反应等跨学科知识进行深度融合。
“国际巨头凭借数十年积累，已构筑起一个高耦合的‘技术黑箱’，而我们在算法、工业知识和软件工程体系上起步晚、积累薄，研发起点本就落后。”杨灿群回忆说。
更大的挑战在于极端场景的仿真。杨灿群指出：“爆炸、冲击、燃烧这些过程，涉及多介质交互、多尺度演化、多效应动态耦合，其高速、高压、高温和强非线性等特点，即便是世界领先技术，也存在‘仿不准、仿不快、仿不精、仿不了’的世界级难题。因其隐蔽性强的特性，突破这一领域的难度并不亚于芯片等高科技领域。”此外，既懂工程机理又精通软件架构与高性能计算的复合型人才极度稀缺，不同工业软件间数据标准的割裂，都极大地增加了开发成本和周期。
在如此艰巨的背景下，杨灿群团队历时17年持续投入，研发出GalaxyEDS软件，实现了从“跟跑”到“领跑”的跨越。谈及突破的关键，杨灿群表示：“我们并非单一技术的改进，而是在爆炸、冲击、燃烧及多效应耦合仿真等世界级难题上取得了系统性突破。”
杨灿群介绍，GalaxyEDS软件攻克的四大关键技术。第一，攻克了高精度多介质爆炸仿真难题，提出强间断高分辨率捕捉方法等，大幅降低了爆炸超压求解误差；第二，攻克了高效率多尺度冲击仿真难题，提出时域多尺度仿真方法，使复杂结构冲击仿真效率提升了10倍；第三，攻克了高保真多组分燃烧仿真难题，实现了对千米级场景全过程精确模拟的技术跨越。
“第四也是最核心的，我们攻克了超大规模多效应耦合仿真难题。”杨灿群表示，“我们提出了多效应耦合统一模型、高可扩展全流程仿真框架等，结合天河E级超级计算机，首次实现了千亿网格规模、十万核级并行多效应耦合仿真，远超主流商用软件亿级网格规模，为破解极端复杂工程仿真难题打开了全新的发展空间。”
这一系列突破，标志着我国在高端CAE软件领域，不仅打破了长期受制于人的局面，更在若干关键方向上实现了创新引领。
赋能多领域，通过实战检验
自主研发的CAE软件效能如何，最终要通过解决国家重大需求的实际应用来检验。目前，GalaxyEDS已走出实验室，在多个重要领域通过实战考验，成为守护国家战略安全的“数字屏障”。
在工业领域，GalaxyEDS已深度服务于我国航空装备与能源开采的核心任务。针对自主特种用途飞机、直升机研制中的鸟撞机翼、装甲防弹、叶片断裂等场景，通过“仿真+试验”双向验证，开展抗冲击性能评估、轻量化结构设计与机舱包容性分析，以指导和加速新型航空装备研制进程。在油气开采领域，通过仿真精准预测石油射孔弹的穿孔深度、孔径及孔道形态，快速优化装药与药型罩设计，从而提高射孔弹的发射率与穿孔率，直接服务于深井油气开发，助力提升油气开采量。
在公共安全领域，GalaxyEDS为应对极端风险提供了关键支撑。面对太空星体防御任务，完成了导弹打击小行星的百亿级网格、厘米级分辨率精细模拟，复现“冲击、爆炸、碎裂、偏转”全过程，以评估拦截方案有效性。在与化工、能源基地相关单位的合作中，软件对数平方公里化工园区的关键节点进行高分辨率刻画，突破千亿网格超大规模多效应耦合仿真技术，实现危化品从泄漏、扩散、燃烧到爆轰的演化过程全链条模拟，从而识别不同等级危险区域，评估防护措施，为优化园区布局、制定精准应急预案提供直接技术支撑，将重大安全风险转化为可分析、可预防、可管控的工程技术问题。
“这些成功的应用，充分证明了我们自主技术的先进性。”杨灿群强调，“它不仅在提升工程效率，更是在国防、能源、公共安全等重要领域，助力构筑坚实可靠的自主可控屏障。”未来，国家超级计算天津中心将继续携手各方，推动构建更完善的工业软件生态，为新型工业化注入强劲动能。
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