把工業(yè)軟件做成“硬件”

“滑動(dòng)軸承和大型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)分析是學(xué)校的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)室前輩們?cè)谠擃I(lǐng)域作出了杰出貢獻(xiàn)，我希望能夠從前輩手中接過(guò)接力棒，并通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的轉(zhuǎn)子軸承工業(yè)軟件將該領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大，實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)的傳承與發(fā)展。”西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特聘研究員裴世源在接受采訪(fǎng)時(shí)表示。

裴世源主要從事工業(yè)軟件、軸承潤(rùn)滑與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、高效數(shù)值算法等方面的研究，他領(lǐng)銜開(kāi)發(fā)了完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的滑動(dòng)軸承分析軟件DLAP、滾動(dòng)軸承分析軟件RoBAS、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件RotorStuio。目前，軟件平臺(tái)在中船、航發(fā)、中冶、中廣核、東電、哈電、上電、瓦軸、洛軸、哈軸、沈鼓、杭齒等多個(gè)領(lǐng)域30多家行業(yè)龍頭院所得到廣泛應(yīng)用，其中在風(fēng)電滑動(dòng)軸承領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)占據(jù)70%以上的市場(chǎng)份額，同時(shí)DLAP軟件也獲得全球某最大規(guī)模軸承集團(tuán)的采購(gòu)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)工業(yè)CAE軟件的出口。

談到自己研發(fā)的軟件，裴世源說(shuō)：“這并非我個(gè)人的功勞，而是實(shí)驗(yàn)室前輩深厚研究基礎(chǔ)、團(tuán)隊(duì)共同努力和工業(yè)界不斷反饋的結(jié)果?！?/p>

科研——“把復(fù)雜的事情變簡(jiǎn)單”

軸承的發(fā)展水平代表或制約著一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。軸承是重大裝備的核心零部件，是機(jī)械裝備的“關(guān)節(jié)”，如何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子和軸承直接影響到重大裝備的整體性能。

“轉(zhuǎn)子和軸承CAE分析軟件是工業(yè)軟件的一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的細(xì)分領(lǐng)域，主要用于模擬和預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械在各種工況下的動(dòng)力學(xué)行為，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命和高可靠性設(shè)計(jì)，其在能源、化工、艦船、航空、航天等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用?！迸崾涝凑f(shuō)，“2007年我有幸?guī)煆男烊A教授從事該領(lǐng)域的研究，當(dāng)時(shí)調(diào)研發(fā)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)界普遍使用國(guó)外的轉(zhuǎn)子和軸承分析軟件，暗下決心要自己開(kāi)發(fā)一款軟件，跟他們比一比。后在洪軍教授的大力支持下，于2016年終于完成了第一版DLAP軟件的開(kāi)發(fā)。然而，在初期由于軟件特色功能不足，企業(yè)用戶(hù)非常少，自己一度也非?；倚?。后來(lái)，在團(tuán)隊(duì)持續(xù)鼓勵(lì)和企業(yè)課題的支持下，逐步迭代升級(jí)，并具備了雙向流固耦合、動(dòng)載計(jì)算、磨損與修形分析等特色功能，2021年開(kāi)始用戶(hù)規(guī)模逐漸增加，特別是在風(fēng)電重載滑動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)了一半以上的市場(chǎng)份額，在工業(yè)界逐漸形成了一些積極反饋與影響，在此特別感謝合作企業(yè)和團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)期支持！”

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，對(duì)比國(guó)際同類(lèi)軟件，RotorStudio軟件平臺(tái)已經(jīng)具有一些特色和領(lǐng)先的功能。例如，國(guó)外軸承軟件普遍采用剛性假設(shè)，無(wú)法考慮彈性變形的影響，而通用的CSD或CFD軟件（如ANSYS、Fluent）在進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算時(shí)，收斂性差且效率低下；相比之下，RotorStudio軟件可以實(shí)現(xiàn)雙向流固熱多場(chǎng)耦合分析，能夠考慮軸承材料、軸瓦邊界和軸承厚度等因素對(duì)軸承性能的影響。對(duì)于工況條件，同類(lèi)軟件通常只能計(jì)算穩(wěn)態(tài)工況下的潤(rùn)滑性能，無(wú)法分析動(dòng)載工況下軸承潤(rùn)滑性能的演化規(guī)律，而RotorStudio軟件包含瞬態(tài)計(jì)算功能，能夠準(zhǔn)確模擬沖擊、搖擺、地震等動(dòng)態(tài)載荷下的軸承運(yùn)行狀態(tài)。在混合潤(rùn)滑與磨損方面，目前同類(lèi)軸承軟件通常不具備混合潤(rùn)滑計(jì)算功能，無(wú)法計(jì)算接觸與磨損，而RotorStudio軟件則可以考慮接觸區(qū)域的壓力分布、表面形貌和材料特性等多個(gè)因素，模擬潤(rùn)滑油膜和接觸區(qū)域的潤(rùn)滑狀態(tài)隨時(shí)間的演化過(guò)程。此外，DLAP軟件能夠計(jì)算和分析各類(lèi)常見(jiàn)的動(dòng)壓潤(rùn)滑、靜壓潤(rùn)滑和動(dòng)靜壓潤(rùn)滑的徑向和推力軸承的潤(rùn)滑性能。它還可以計(jì)算啟停高壓頂起情況下動(dòng)壓和靜壓同時(shí)工作時(shí)的潤(rùn)滑性能，提供高頂流量與浮起高度之間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)高壓油槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律。

“轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的工作狀態(tài)與幾何、工況、潤(rùn)滑油、材料等很多參數(shù)都有關(guān)系，要設(shè)計(jì)出高可靠性、高穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，軟件就要幫助設(shè)計(jì)人員盡快確定設(shè)計(jì)的主要矛盾和關(guān)鍵參數(shù)，并確定改進(jìn)方向，讓軟件能最大限度地為設(shè)計(jì)人員減少工作量?！迸崾涝凑f(shuō)。

傳承——“‘傳幫帶’是實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)”

作為我國(guó)唯一面向軸承轉(zhuǎn)子技術(shù)研究的教育部首批重點(diǎn)科研機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)大型滑動(dòng)軸承自主化技術(shù)的發(fā)源地，60多年來(lái)實(shí)驗(yàn)室涌現(xiàn)了一大批軸承轉(zhuǎn)子領(lǐng)域的杰出人才，如謝友柏院士、嚴(yán)新平院士、梅雪松教授、洪軍教授等，廣泛活躍在我國(guó)軸承前沿技術(shù)研發(fā)制造、工程應(yīng)用以及人才培養(yǎng)的第一戰(zhàn)線(xiàn)。

“西安交大在轉(zhuǎn)子軸承領(lǐng)域有深厚的研發(fā)傳統(tǒng)和歷史積累，實(shí)驗(yàn)室的‘三駕馬車(chē)’謝友柏院士、朱均教授、丘大謀教授等從二十世紀(jì)五六十年代就致力該領(lǐng)域研究，解決了大量的工程急需，做出了很多個(gè)在本領(lǐng)域的‘第一’，例如在世界上第一次發(fā)現(xiàn)了可傾瓦軸承非天然穩(wěn)定的本質(zhì)，編寫(xiě)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)滑動(dòng)軸承部頒標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸承動(dòng)特性系數(shù)的測(cè)量等等，實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)外都具有很強(qiáng)的影響力，老一輩長(zhǎng)期的研究積累為實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的業(yè)界口碑，能在這樣有歷史沉淀的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和工作我一直深感榮幸。”裴世源說(shuō)。

“我是一個(gè)熱愛(ài)編程的人，享受將方程和想法轉(zhuǎn)化為代碼的過(guò)程，平時(shí)花了大量的時(shí)間在寫(xiě)程序上，作為一個(gè)機(jī)械科研人員，這看起來(lái)多多少少有點(diǎn)‘不務(wù)正業(yè)’，因?yàn)閷?xiě)程序編軟件，并不能直接轉(zhuǎn)化為論文和專(zhuān)利等‘考核指標(biāo)’，工作初期遇到了諸多不順。幸運(yùn)的是，在困難時(shí)刻遇到了洪軍教授，并得到了特別多的支持與鼓勵(lì)。他強(qiáng)調(diào)‘沒(méi)有先進(jìn)的設(shè)計(jì)支撐，就沒(méi)有先進(jìn)的制造業(yè)，年輕人，就要敢想、敢沖、敢干！’；同時(shí)，隨著學(xué)?！扑奈ā叩耐七M(jìn)以及對(duì)工業(yè)軟件的重視，我也獲得了更廣闊的發(fā)展空間，我希望能夠通過(guò)工業(yè)軟件這一載體，將實(shí)驗(yàn)室老一輩的研究精神傳承下去，為重大裝備的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的研發(fā)和國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件的發(fā)展做一點(diǎn)自己的貢獻(xiàn)?！?/p>

近年來(lái)，裴世源作為負(fù)責(zé)人，基于所開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子和軸承軟件平臺(tái)，主持完成了大量重大工程和重點(diǎn)型號(hào)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、排故和研發(fā)工作，其中包括華龍一號(hào)發(fā)電機(jī)、第四代快堆鈉泵、某在役核主泵、某航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵、某超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)等。他主持縱向和橫向課題40余項(xiàng)，主持項(xiàng)目合同額超過(guò)3000萬(wàn)元，主編《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-滑動(dòng)軸承篇》，主持制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇，獲批發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)，注冊(cè)軟件著作權(quán)10余項(xiàng)，累計(jì)培訓(xùn)企業(yè)人員超過(guò)500人次。

發(fā)展——“創(chuàng)新與實(shí)用不能‘分家’”

只有將科技創(chuàng)新結(jié)合實(shí)際，將先進(jìn)設(shè)計(jì)理念結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，才能最終實(shí)現(xiàn)科技進(jìn)步?！皬念^開(kāi)發(fā)一款工業(yè)軟件比較困難，這需要在相關(guān)領(lǐng)域長(zhǎng)期的研究積累，需要數(shù)學(xué)、機(jī)械、軟件、經(jīng)驗(yàn)等跨學(xué)科的交叉融合，然而，更困難的是得到企業(yè)的真正使用與肯定，這需要校企的反復(fù)溝通與不斷迭代?！迸崾涝凑f(shuō)，“科研工作者要有‘用戶(hù)思維’，在算法設(shè)計(jì)和前后處理開(kāi)發(fā)時(shí)，都要充分考慮各種可能的輸入和邊界條件，確保軟件的通用性、容錯(cuò)性和易用性。此外，也得站在更高維度上去思考行業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。”

在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景中，例如汽車(chē)制造、船舶制造等，人們獲得了訣竅、技能、經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)程序化、算法化、模型化等手段，封裝成了工業(yè)軟件，工業(yè)軟件能控制生產(chǎn)設(shè)備、優(yōu)化制造和管理流程，提高生產(chǎn)率，是現(xiàn)代工業(yè)的“靈魂”。2020年全球工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)模為4358億美元，2012—2020年全球工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增速為5%。國(guó)內(nèi)2020年工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)模為286億美元，僅占全球規(guī)模的6%，但2012- 2020年國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增速高達(dá)12%，大幅高于全球水平，發(fā)展迅速。根據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)，中國(guó)2020年制造業(yè)增加值占全球比重為28.61%，2011-2020連續(xù)十年保持世界第一制造大國(guó)地位，相比于同期工業(yè)軟件規(guī)模全球比重僅有6%，工業(yè)軟件有廣闊的發(fā)展空間。

西安交通大學(xué)副校長(zhǎng)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任洪軍教授說(shuō)：“設(shè)計(jì)是制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，中國(guó)要從制造大國(guó)走向制造強(qiáng)國(guó)，設(shè)計(jì)要先行，創(chuàng)新設(shè)計(jì)是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是促進(jìn)我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的必由之路。西安交大對(duì)年輕學(xué)者的支持是多方面的，希望他們?cè)趯?shí)現(xiàn)自我價(jià)值的同時(shí)，還能為社會(huì)培養(yǎng)更多優(yōu)秀的人才?！?/p>

談到未來(lái)發(fā)展，裴世源說(shuō)：“基于實(shí)驗(yàn)室前輩們數(shù)十年的研究基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)子和軸承仿真分析軟件方面取得一些進(jìn)展和突破，初步形成了一些用戶(hù)群體，但在系統(tǒng)級(jí)仿真、用戶(hù)規(guī)模等方面與國(guó)外同類(lèi)軟件還存在明顯差距。為了實(shí)現(xiàn)加快追趕，構(gòu)建有特色、有國(guó)際影響力、有國(guó)際先進(jìn)水平的轉(zhuǎn)子軸承仿真分析軟件平臺(tái)，希望能有更多對(duì)工業(yè)軟件感興趣的青年和學(xué)生加入研究團(tuán)隊(duì)，共同推動(dòng)我國(guó)工業(yè)軟件的發(fā)展?！?/p>

（李莉：西安交通大學(xué)黨委宣傳部）