基于数值模拟的设计技术作为当前及未来发展高端装备的必要手段， 对于提升我国装备制造业自主创新能力、保障国家战略安全等具有重要意义。

在科学研究和工程技术领域，数值模拟是理论分析和实验测试并重的基础研究方法，是复杂物理问题和工程问题最有力的分析工具。先进设计的数值模拟技术综合机械、力学、材料、计算机、物理等多个学科将实物装备数字化，是当前及未来实现装备创新设计及自主研发的重要手段，也是先进设计数字化、知识化、智能化的综合体现。

数值模拟作为连接装备基础数据与服役性能的桥梁和纽带，在装备模型表达的可重用性，装备开发过程的可控性，装备性能的可预测性等方面具有明显的优势。数值模拟技术在机械装备设计阶段就充分考虑制造、装配、服役和维护期间的综合性能，能大大减少物理样机试制和测试的次数，缩短设计周期，有效克服传统串行设计中面临的设计质量、效率、成本等方面的瓶颈。

图1 数值模拟在先进设计领域的典型应用  目前，数值模拟技术已广泛应用于各个学科和工程技术领域中，图中展示了在船舶、汽车、航空、航天、能源等复杂装备领域的应用。

对于极端环境下特种装备的开发更加依赖甚至必须借助数值模拟技术来实现。

（a）登月器着陆模拟  （b）嫦娥三号登陆器    

（c）神州九号与天宫一号   （d）美国好奇号火星车

图2 极端物理环境下星际飞行器的数值模拟与开发  在极端物理环境的星际航行和外星着陆探索中，数值模拟技术在飞行器及着陆器的开发与服役等方面起到了突出的作用。

 （a）近水面爆炸模拟；（b）某超高速导弹

（c）直升机安全迫降

图3 基于数值模拟的特种装备研制  由于试验技术条件的限制以及对复杂物理过程理论分析能力的不足，水下爆炸、超高速导弹、直升机水上迫降等武器装备研制在很大程度上也依赖基于数值模拟技术的设计。

虽然数值模拟在机械设计中具有突出的优越性和广泛的应用前景，但现阶段我国装备制造业中基于数值模拟的设计并不普及，工程应用程度也非常有限。可例举笔者曾参与完成的若干工程实例来说明当前数值模拟所面临的问题及其导致的现代设计方法在实际装备开发中的局限。

（a）油气悬挂系统非线性特性  建模时若采用线性化简化的油气悬挂刚度曲线和阻尼曲线，则很难精确地对装甲车辆的动力学特性进行模拟和设计；缺乏较完备的载荷谱，数值模拟导弹的飞行轨迹和车辆的道路行驶性能会产生较大的偏差；

（b）某高速重载齿轮摩擦特性   没有精确的轮齿时变刚度和摩擦阻尼参量，高速重载齿轮的设计结果可能很难满足实际运行需求；

（c）汽车碰撞中的假人模型    缺乏充足的亚洲人体数据库和精确的人体模型，基于欧洲人种开发的假人模型用于亚洲汽车被动安全性设计会产生较大的偏差。

图4 精确数值模拟及关键建模参量对设计的影响

总体而言，对基于数值模拟对复杂装备进行设计研发时，将面临计算模型的精度、高维设计变量下的模拟效率、多设计目标的均衡、不确定性对结构设计的影响等关键科学问题和技术难点。这使得基于数值模拟的设计在“精度、效率、功能和可靠性”等方面难以得到保证，大大制约了数值模拟在实际装备设计开发中的贡献率和应用程度。

围绕上述机械装备设计与分析中的共性难点问题，有必要发展装备设计、制造与服役过程中数值模型的精确建模方法，加强数值模拟的基础理论和快速计算方法研究，开发面向多功能需求和考虑不确定性的结构优化设计技术。为此，作者多年来致力于数值模拟和机械设计的相互融合，较系统全面地发展了面向复杂装备的基于数值模拟的先进设计理论与方法，其主要内容包括：

（1）基于计算反求的高精数值建模方法，有效保证机械装备的设计品质；

（2）复杂机械装备模拟的快速分析方法，为结构高效设计提供重要计算工具；

（3）高性能的工程多目标优化设计方法，为多功能需求下装备综合性能的优化提供核心设计手段；

（4）不确定性建模及优化设计方法，有效保证极端工况及不确定性环境下复杂装备设计的可靠性。

《基于数值模拟的设计理论与方法》就是作者及指导的博士生近年来在机械设计共性技术方面研究与应用成果的总结与提炼，是一本全面系统论述基于数值模拟的设计理论与方法的专著。全书分四部分，结构如图5所示，研究内容具体如下。

图5 主要内容及结构

《基于数值模拟的设计理论与方法》所论述的反求建模、快速分析、结构优化和不确定评价，较完整地形成了基于数值模拟的结构设计的基本框架，将有望促进数值模拟数据向设计信息和设计知识的有效转化，为机械装备的自主创新设计提供有效途径，推动机械装备设计研发中数值模拟由辅助性分析工具到主导性设计的关键转变。也为我国装备制造业核心竞争力的跃升及尖端领域重大装备的自主研发提供重要设计工具，在高端机床、工程机械、国防特种装备、车辆工程、航空航天等领域将有广泛应用前景。

本文由刘四旦摘编自韩旭著《基于数值模拟的设计理论与方法》一书“前言”“绪论”，有删减改动，标题为编者所加。

ISBN号：978-7-03-045938-1

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