船舶工业的创新发展是国家战略性要求。船舶工业是高技术产业，对国家经济发展至关重要。该行业的发展受到国家军民融合政策支持，为国防安全和海洋发展提供关键装备。随着国际竞争加剧，船舶工业应用技术来提升创新和效率，以满足国家海洋发展需求。

    船舶CAE软件是提升船舶工业创新能力的重要基石。随着船舶工业的发展，尤其是海洋装备的大规模复杂化，工业软件在支持船舶设计、评估和制造方面的关键作用越来越明显。这些软件集成了船舶行业的专业知识，直接应用于船舶全生命周期，成为船舶工业创新发展的主要支持工具。

    船舶CAE软件自主化是实现我国船舶产业链供应链安全稳定的关键环节。我国长期依赖国外商业软件，缺乏自主研发的船舶CAE软件。在自主创新方面，我们急需加强基础研究和关键技术研究，以满足制造强国的需求。为支持未来发展目标，我们需要分层次地突破CAE技术关键核心，助力我国船舶工业CAE软件的发展。

    船舶行业主干设计制造阶段对结构分析评估有着迫切需求。船舶结构性能评估涉及到波浪载荷预报、损伤特征分析、垮塌损伤过程、安全性评估等多方面。这些评估是船舶设计、审图、制造中重要的手段。随着海洋结构变得更复杂，船舶结构安全性评估对船舶生命力、性能和任务能力至关重要。建立自主船舶结构求解器和安全评估模块，将提高计算和审图效率，缩短设计周期。

    国外软件垄断市场，国产自主软件发展艰难。海洋工程日益发展，需求软件大幅增长。以欧美公司为例，它们透过吸收小型公司，逐渐壮大，构建完善的结构性能软件体系。国际上主要使用的通用结构分析软件有MSC.PATRAN/NASTRAN、ANSYS、ABAQUS和DNV-SESAM，已经形成市场垄断。在船舶结构分析领域，MSC.NASTRAN成为标准求解器，被广泛应用。国外软件经过多年发展，占据市场主导地位，但国内对软件研发的重视不足。因此，我国需自主研发船舶工业软件，以避免外部风险影响到制造业。

    本案例旨在研究和开发替代通用结构计算商业软件的核心求解器，达到与NASTRAN求解器应用船舶行业相媲美的功能和性能水平，以此为基础形成完全自主可控的海洋结构通用分析软件SAM，实现船舶结构安全性典型分析评估功能，从核心基础上解决国外商业软件在船舶领域的“卡脖子”问题。

1、SAM软件特色

    船舶自主化结构基础核心求解器紧扣船舶结构安全性有限元分析的共性求解问题牵涉到的关键技术，针对现代船舶结构评估从线性到非线性、从静载荷分析到动载荷分析等趋势，进一步完善分析功能和框架，同时优化结构有限元求解分析的精度和效率，并集成相关船舶专业评估分析方法和规范，形成船舶专业结构分析软件模块，解决方案如下：

首先紧密围绕船舶行业主干设计制造阶段对结构分析评估的求解器需求，基于增量迭代法的静力分析流程重构技术研究，解决静力分析及应力提取整体框架问题，同时，使得流程能适用于未来的非线性问题求解。

    然后，在增量迭代法的整体流程改造基础上，基于频域响应的结构稳态动力学分析技术研究解决振动求解问题，逐步推进对商软求解器的分析功能对标。

针对实际工程应用中结构核心的工程修正算法受制于人的关键问题，通过相关理论解算例、标准Benchmark算例、工程案例和系列标模物理试验对完全自主开发的船舶结构基础求解器的计算准确性和效率进行算法修正和优化。

    最后在结构有限元分析的接口基础上，在船舶结构强度分析应用层面，开展全海况下船舶非线性波浪载荷预报技术研究，提升高航速和高海况下船体的高频弹振和颤振响应引起的船体结构安全性问题，并开展面向工程应用的船舶结构安全性分析模块开发，实现典型的船舶屈服强度、屈曲强度、疲劳强度分析功能，形成船舶主干设计、制造流程自主的船体结构安全评估工具。

    针对结构CAE工业软件市场被国外商软垄断的现状，自主船舶结构有限元软件SAM以船舶行业最常用的Nastran/Patran为基准，对标其在船舶结构分析方面的核心功能，首先做到具备初步替代能力。目前，自主船舶结构有限元软件SAM在线性静力分析、模态分析、频响分析等场景下的计算精度和商软基本一致，已初步具备替代结构商软的能力；更复杂的显式分析、非线性屈曲、大变形瞬态分析、接触非线性等与商软还有一段距离；并且，SAM软件发扬702所科研成果与试验数据优势，集成了环境载荷、结构安全性、振动噪声和爆炸冲击四大子系统，为海洋工程装备的设计研发提供了重要支撑。同时，SAM开展了多个实际型号项目与试验数据和商软计算结果的对比验证，吸纳了从基础理论研究、应用基础研究和工程应用全创新链条上相关领域中具有优势的单位参与研发和验证。

2、SAM软件推广应用

    软件只有推出去、用起来，才能具备生命力。SM软件积极开展推广应用，在大量的用户反馈中不断迭代软件功能与用户体验。从软件发布以来，SAM技术团队受邀到多个应用单位开展了线下培训，包括中国船级社CCS北京研发中心、中船708所、上海船舶研究设计院（SDARI）、沪东中华造船（集团）有限公司、浙江工业大学等。SAM技术团队通过算例步骤讲解、实时指导等方式，对参会人员进行软件操作培训。内容覆盖了SAM软件的参数化建模、CAD模型网格自动划分、属性设置、载荷施加等常用基础功能。并结合各个应用单位研发人员所关心的实际特性功能需求，进行了多个工程算例的实操演示。区别于一尘不变的“模板式”培训，海洋结构分析通用软件SAM技术团队的“定制式”培训将培训内容与需求相匹配、与应用方业务流程相融合，突出实操培训，确保培训效果。培训中应用单位工程师对SAM软件的易用性与结果准确性给予了高度评价的同时，同时结合现场使用过程中的感受提出了多项改进意见。这些培训技术交流为SAM技术团队和行业应用单位建立了更紧密的联系。

3、产学研合作

    科技创新是引领产业发展的第一动力，而“产学研合作”作为科技创新的“助推器”未来也是中国船舶科学研究中心和奥蓝托打造“工业软件良好合作生态”的重要一环。2023年12月，702所与上海交通大学、哈尔滨工程大学、大连理工大学、武汉理工大学、湖南大学、江苏科技大学等6家高校签订了《关于船舶国产 CAE 软件产学研融合发展的合作协议》，自主CAE软件教育版将率先进入这6家高校的课堂，以共同推动船舶工业软件创新发展和高素质软件人才培养，为国产软件众创共享的新生态不断注入新的活力。

    自主船舶结构有限元软件SAM具备取代主流商业软件的潜力，已经在船舶结构分析领域展现出强大的功能和实用性。不过，SAM在处理复杂多物理场耦合仿真和计算速度上还需进一步改进，目前计算速度仍落后于商用软件。通过实际项目验证和与多方合作单位的合作，SAM已初步形成自主船舶结构CAE的新生态，在技术积累上已经相对成熟。然而，关键挑战在于如何将技术优势有效转化为软件能力，这需要持续的努力和优化。未来，SAM期待与超算互联网进行合作，利用其创新资源开展市场推广活动，以实现双方优势互补，共同推动发展。