与达索系统SIMULIA冠军龙凯聊聊仿真那些事

龙凯是华北电力大学可再生能源学院副教授，也是2022年达索系统SIMULIA冠军。他于2007年获得北京理工大学博士学位，长期致力于结构拓扑优化理论方法及其在轻量化风力发电机部件工程中的应用研究。他主持过多项国家级和省级自然科学基金项目，发表过百余篇学术论文，位列中国知网（CNKI）高被引学者前1%。从早期分析重型卡车底盘，到如今重塑万吨级深海海上风力发电机的结构框架，龙凯始终致力于将前沿优化算法应用于实际工业应用。

 

 

 

随着仿真技术不断推动工业转型，达索系统SIMULIA Champion项目始终致力于汇聚全球顶尖仿真专家，探索技术边界，塑造未来设计。在重型设备和绿色能源工程等广阔领域，这些技艺精湛的仿真专家往往扮演着“默默守护者”的角色。

 

介绍

在足球场上，守门员很少成为关注的焦点。当前锋们积极进攻时，守门员则坚守在球门线前——如同一个安静而持久的锚，守护着最后的防线。对于重达数千吨的钢结构而言，结构模拟工程师的任务并非雕琢出令人惊艳的外观轮廓，而是运用如同外科医生手术刀般精准的算法，将多余的材料精确到毫米，赋予这些庞大的钢铁巨兽以灵活性，同时确保其在安全范围内稳定运行。

 

 

从二十多年前忍受零下三十摄氏度严寒的重型卡车测试场，到如今耸立于海面之上的巨型深海海上风力涡轮机，龙凯与 SIMULIA 二十多年来的探索，展现了一位工程师如何运用强大的算法和工具，将对安全、效率和可持续人类未来的深刻承诺融入到冰冷的钢铁框架之中。

 

龙凯发表/撰写的研究成果和技术文献合集。

 

冰原与车辙：唤醒工程的本质

要真正理解龙凯对“轻量化”和“结构优化”的执着，就必须回顾2002年中国的北方边疆。

当时，正在北京理工大学攻读博士学位的龙接手了一个棘手的项目。国内矿山运输主要使用的重型卡车车型在运营过程中经常发生底盘车架严重断裂的情况，给制造商带来了巨大的赔偿压力。

 

龙凯参与了早期重型卡车底盘结构优化项目。

 

“当时，这家汽车公司还没有建立起完善的独立研发体系，卡车的设计图纸大多是从德国进口的，”龙回忆道。最初的德国设计标准是按15吨的额定有效载荷设计的。然而，面对当时的工业现实——在按重量计费的收费公路和崎岖的矿区实现利润最大化至关重要——这些车辆被广泛改装，变得更高更宽。“它们实际承载的载荷远远超过了最初的设计极限，因此，钢制车架自然无法承受如此巨大的压力。”

 

为了找出问题的根源，年轻的龙凯裹上厚厚的冬衣，深入一线测试场地。他爬进高耸的驾驶室，与经验丰富的卡车司机们交谈。

 

司机们用最直白的语言告诉他：“其他品牌的卡车动力更强劲，载货量更大。”这种纯粹出于直觉的观察深深触动了龙的机械学理解。通过细致的测量和比较，他发现这两个品牌的卡车在轴距设计上存在显著差异：较短的轴距能够显著提高底盘的弯曲刚度和承载能力。

 

为了验证改进型底盘车架的性能，龙先生积极参与了在包头冰雪覆盖的地区进行的实地测试。那是内蒙古有史以来最严寒的冬季，气温经常骤降至零下30摄氏度以下。团队在接近冰点的寒风中，一丝不苟地进行了底盘模态测试，并监测了户外行驶数据。

 

这个项目不仅解决了制造商的燃眉之急，也直接促成了这家汽车制造商独立研发部门的成立。对于龙凯而言，在暴雪肆虐的试验场上的坚持不懈，是他职业生涯的一次洗礼。它让他深刻地认识到：结构有限元分析并非仅仅是电脑屏幕上静态的、色彩斑斓的应力等值线图。每一条载荷路径背后，都承载着企业的兴衰，更重要的是，它关系到那些坐在驾驶座上、靠驾驶谋生的坚韧不拔的个体的安全和福祉。

 

卡车结构建模与仿真分析。

 

实践中求知：塑造框架，裁剪衣裳

随着中国工业向高精度、尖端技术转型，龙凯的研究方向也从卡车底盘转向了更深层次、更专业的领域：结构优化，特别是拓扑优化。在这个过程中，他发现了贯穿其整个学术生涯的关键工具。

 

在学术领域，拓扑优化的定义严谨而精确：在给定的设计空间内，基于特定的载荷和边界条件，算法移除或添加材料来重建结构的载荷路径，确保其机械性能达到全局最优。

 

为了帮助非专业人士欣赏这门学科的精妙之处，朗提供了两个生动的比喻。

 

“你可以把拓扑优化想象成一个严格的‘塑身师’，”朗缓缓解释道。“如果一个体重100公斤的人体型走样，他的运动能力必然会受到限制。然而，如果通过科学的训练，他减掉多余的脂肪，并锻炼核心肌群和负重肌群，那么这个100公斤的人不仅身材比例会更加匀称，力量也会呈指数级增长。”

 

在结构设计中，传统的“加固”往往只是表面堆砌材料。而拓扑优化则相反，它依靠精确的计算来去除不承重的冗余材料，将结构钢材仅用于核心的“骨架”结构。

 

他的第二个比喻是“面料裁缝”。“这就像收到一匹精美的锦缎。为了确保优雅合身，你需要使用工业软件作为‘智能剪刀’，精确地修剪掉多余的面料，最终打造出一件完美无瑕、剪裁精美的服装。”

 

从“堆叠”到“裁剪”，这种极度克制和优雅简化的机械美学正在悄然重塑现代重型设备的物理形态。

 

拓扑优化影响着现代人类生活的方方面面。

 

吨位达1万吨的利维坦巨兽和沉默的“守护者”

进入2020年代，中国风电行业经历了前所未有的爆炸式增长。因此，龙凯和他的算法面临着比以往任何挑战都更为庞大的庞然大物。

 

到2024年底，装机容量为16.6兆瓦的深海漂浮式风电平台“明阳天城”已在广东阳江并网发电。此外，2025年北京风能博览会重点展示了一台50兆瓦的超大型漂浮式风力发电机。短短十余年间，单台风力发电机的装机容量就增长了数十倍。

 

“如今的风力涡轮机自重已经从几百吨跃升至几千吨，甚至接近1万吨大关。除了航空母舰之外，它们几乎是人类建造的最庞大的旋转机械结构了，”朗惊叹道。

 

当这些庞然大物驶入波涛汹涌、变幻莫测的深海环境时，它们高耸的桅杆必须承受风、浪和洋流等多种物理力的极端作用。在这个完全没有先例的科技“无人区”，我们如何确保这些巨兽在25年的使用寿命内不会因疲劳断裂而损毁？

 

“在整个研发体系中，结构模拟工程师扮演着‘足球守门员’的角色，”朗解释道，并举了一个形象的例子。“守门员很少有机会像前锋那样展现精彩的进攻，但他们是最后一道万无一失的防线。我们的使命是确保无论在何种极端条件下，风力涡轮机都能坚定不移地守护住安全的生命线。”

 

借助先进的仿真和优化工具，龙的团队已帮助风电设备制造商大幅减少材料冗余，同时确保了机舱底座和轴承座等关键部件的疲劳刚度。在浩瀚的海洋中，每减轻一吨结构载荷，都意味着深海浮式平台吃水深度的显著优化和工程难度的大幅降低。屏幕上“守门员”进行的每一次无声计算，都在为浩瀚海洋上绿色能源帝国的构建奠定坚实的基础。

 

二十年的工具相伴：穿越“无人区”的清晰洞见

作为中国最早将商业结构拓扑优化软件引入工程实践的学者之一，龙凯与达索系统公司保持着二十余年的稳固合作关系。他自然而然地成为了达索系统SIMULIA软件的杰出代表。

“那是2003年。机缘巧合之下，我参加了一位德国工程师举办的为期三天的结构优化培训课程。在那三天里，我第一次接触到了商业拓扑优化软件——Tosca。” 回忆起这段经历，朗仍然清晰地记得当时技术觉醒时所感受到的震撼。

 

当时，TOSCA隶属于德国FE-DESIGN公司。其高度直观的界面让年轻的龙凯迅速掌握了结构“剖析”的语言。后来，在工业软件整合浪潮中，达索系统收购了FE-DESIGN，并将TOSCA深度整合到SIMULIA产品系列中。伴随着这段技术演进的历史，龙凯与达索系统建立了深厚的合作关系。在随后的多年里，SIMULIA一次又一次地证明了它是龙凯验证前沿算法和攻克复杂工程难题的首选工具。

 

回顾与工具长达二十多年的“陪伴”，作为 SIMULIA 冠军的龙凯展现了扎根于实践工程领域的学者所特有的清醒务实精神。

 

他亲身见证了这款软件的开发和演进，因此对它的未来有着深刻的见解。他深知，随着人工智能等尖端技术的涌入，工业软件必将变得更加强大和易于使用。然而，在龙看来，技术绝非单向赋能，而是人与工具之间相互融合的产物。

 

“我个人认为，工程软件能否真正对工程领域产生影响，最终取决于工程师是否积极主动地接受结构拓扑优化这一概念，”朗在采访中认真地说道。“只有当工程师有意识地应用这些工具时，他们才能真正实现解决问题的目标。”

 

这种源于工程师基础理解的内在“意识”，在某些行业早已成为一种本能。朗敏锐地指出，受各自领域特定需求的驱动，航空航天和汽车等行业更早、更广泛地采用了拓扑优化技术。

“例如，航空航天业对减轻重量的追求达到了极致。有时，卫星上哪怕只减轻一克重量，也能帮助运载火箭减少一吨的质量，”朗解释道。

 

如今，风电行业迎来了属于自己的“巅峰时刻”。面对重达数万吨的钢铁巨兽，它们庞大的体量对减重提出了严苛的要求，同时也带来了结构冗余方面的挑战。“风电行业目前正面临着这样的现实，”龙先生坚定地说道。展望未来，他怀着务实而深刻的期望：在不久的将来，随着风电进一步向深海“无人区”推进，拓扑优化技术无疑将发挥不可替代的重要作用。

 

结论

工程的精妙之处往往隐藏在最简洁、最理性的线条和网格之中。

 

在龙凯的叙述中，没有耀眼的聚光灯。取而代之的是北方暴雪留下的车辙、一线工作人员的真诚对话、卫星的静默轨道，以及算法世界中对复杂问题的细致剖析。然而，当这位SIMULIA冠军的故事，以及陪伴他20年的软件，与一台在浩瀚海洋上空旋转的50兆瓦风力涡轮机交织在一起时，一位铁血工程师的真正本质便跃然纸上。

 

无论算法多么强大，都需要工程师们满怀热情地去驾驭它。在计算能力的精准引导和多年经验的磨砺下，他们运用达索系统卓越的仿真工具，积极突破传统束缚。他们一点一点地移除冗余的钢铁结构，让风的动能得以优雅地流动。巍峨的塔楼静静矗立，但在数百万家庭灯火通明的城市景观中，工程师们留下了他们最深刻、最持久的目光。