高校多學科／多物理場仿真中心建設探討

宋榮昌，蘭 山，隋 麗

（1.北京理工大學機電學院，北京 100081；2.北京理工大學實驗室與設備管理處，北京 100081）

高校多學科／多物理場仿真中心建設探討

宋榮昌1，蘭 山2，隋 麗1

（1.北京理工大學機電學院，北京 100081；2.北京理工大學實驗室與設備管理處，北京 100081）

從高校在科學研究中的地位和多學科發展的客觀需求出發，分析了多學科／多物理場仿真的4個特點，提出高校多學科設計仿真及優化中心的4項建設原則，并依此提出3種典型的硬件建設的架構方法以及各自優缺點分析，并提供目前通用的多學科／多物理場的軟件建設內容。

多學科／多物理場；仿真中心；實驗室建設

隨著科學技術的發展，各行各業——大到航天工程、船舶工程，小到微／納機電系統——都涉及到多學科（multidisciplinary）／多物理場（multi-physics field）問題。這些問題帶來更為復雜的建模和計算工作，因此需要針對多學科／多物理場的特點進行仿真中心或實驗室的建設。這些仿真中心需要完成多學科／多物理場的設計、仿真、優化和仿真數據管理，其中仿真工作除包括多個學科或物理場的計算，更重要的是各物理場之間的多學科／物理場耦合計算分析。因此，多學科／多物理場仿真中心的建設也不同于一般仿真實驗室的建設。本文將探討如何在高校建設多學科／多物理場仿真中心［1-2］。

1 高校多學科／多物理場仿真中心的需求分析

1.1 高校在科學研究中的地位

根據我國的創新發展規劃，高校應站在科學技術發展的前沿，以理論創新為重點，這是與企業的創新不同所在。因此，高校應在科技前沿探索和基礎研究方面承擔重要的使命，而高校的實驗室建設正是為理論創新提供高水平和高效的平臺。

高校實驗室主要包括以本科教學為主的實驗室和以科學研究為主的實驗室，本文中的仿真中心屬于后者。仿真中心在主要滿足科研一線教師的科研需求外，還承擔碩士生、博士生的部分教學科研工作。此外，一些高水平、高標準的仿真中心還為國內相關行業提供計算和咨詢服務工作。

1.2 多學科客觀發展的需求

未來科學研究的一個主要趨勢是向多學科／多物理場發展，多種技術領域（如微／納機電系統、測量測試技術、天氣預測技術、電子產品）的研究和很多大型工業系統（如航天器、船舶與海洋工程）無一不涉及到多種學科的綜合研究與利用［3］。

復雜系統開發是多學科交叉和協作的系統工程，涉及到的學科包括力學、機械、熱、電、磁和流體等，而且各物理現象互相關聯，很難用單一的物理原理來描述。這就給系統設計和系統工作機理的研究帶來了困難，研究人員不僅要懂得相關領域的基礎知識，而且要熟悉各物理場的互相作用；而如果沒有相應的技術手段和研究平臺，會使研究難上加難［4-5］。

在復雜系統的多學科協作開發過程中，多個學科的設計人員使用不同專業的設計與仿真工具，在不同的環境下工作，既有分工又有合作。為了使設計和仿真能夠協調進行，需要消除設計過程中的信息孤島，保證設計過程中多學科設計和仿真信息的交換與共享，提高不同領域設計工具之間的互操作性。隨著分布式計算和仿真技術的發展，已有條件建立多學科的仿真和優化計算中心來完成大量的科研工作［6］。

2 多學科／多物理場仿真工作特點分析

利用多學科／多物理場研究的問題種類、計算規模、計算流程和所用的求解方法與傳統的單物理場的研究和分析大不相同。多物理場有以下特點［7-8］：

（1）計算問題復雜。由于涉及到物理場，問題經常轉化為機-電-熱、熱-流、電-磁-熱等過程的求解，物理場之間的相互作用也更為復雜；

（2）計算規模較大。對于同樣的計算問題，若考慮到多物理場的相互作用，就要涉及到多個域的建模，在滿足一定精度的前提下，網格和細節的處理都帶來網格自由度和計算規模的成倍增加；

（3）計算流程復雜。圖1為多學科／多物理場仿真工作流程，該流程除進行單獨的物理場仿真外，還需要進行多物理場的耦合計算；

圖1 多學科／多物理場仿真工作流程圖

（4）求解方法復雜。在仿真中要考慮穩態求解和瞬態求解的優選，在瞬態求解非線性問題時還要考慮顯式求解和隱式求解，多物理場的迭代計算有間接耦合法和直接耦合法，多求解方法會使仿真變得更復雜。

3 多學科／多物理場仿真中心建設原則

仿真中心需要遵循以下基本建設原則［9-12］。

（1）高效原則。隨著各種系統越來越龐大，結構也越來越復雜，加上多學科／多物理場分析計算，對仿真硬件并行計算能力的要求也越來越高。一般在平臺設計時，要考慮整個平臺容量問題、速度問題和顯示能力問題。容量問題是指計算機內存可容納的計算對象的最大網格數，盡管使用高超的網格劃分技術可以降低不必要的網格數量，但在計算能力和前瞻性設計上，仍然推薦按照最大網格數的2～3倍進行設計。速度問題主要指計算機的主頻速度以及影響速度的CPU緩存，而主頻速度直接影響設備的最終價格。因此，在進行多學科／多物理場仿真中心建設時，需要兼顧性能需求和項目預算。

（2）多終端原則。由于涉及到多個學科或物理場的設計、建模和仿真處理，而大量前期的建模、網格劃分和模型預處理等準備工作需要借助終端來完成，后期的仿真結果顯示、查看和處理也需要使用終端，因此，整個仿真中心需要有多終端作為支撐。

（3）平臺兼顧原則。由于各種物理場分析軟件的平臺可能基于不同的系統，部分早期的軟件基于Unix系統，而現有的一些軟件則基于Windows系統，還有一些基于Linux系統，當然也有部分軟件兼容各種系統，所以多學科／多物理場仿真中心的建設和采購必須兼顧后期的運行管理問題。鑒于目前辦公軟件和專業軟件主要基于Windows系統，因此除特殊需求外，推薦采用Windows系統。考慮到未來的發展，應配置大容量內存，如32G、64G乃至更大，而32位的Windows系統不支持到4G內存，因此，Windows最好采用64位系統。

（4）網絡化并行計算。對于同樣的計算題目，單個學科／物理場的仿真工作量遠小于多學科／物理場的仿真工作量，因此，在仿真中可以借助軟件提供的并行計算功能，利用多臺計算機同時計算，這就需要有高效的網絡支持。此外，網絡還需要支持多終端的靈活組合，以形成針對各種問題的計算域或群，從而進行多個軟件之間的多物理場交互仿真。

4 仿真中心的建設架構

4.1 仿真中心硬件建設

硬件建設主要包括計算機建設和網絡建設。根據上節的建設思路，提出3種建設方案。

4.1.1 工作站＋高速局域網的建設方案

在該方案中，每個工作站都是建模單元和計算單元，當工作站之間通過高速局域網連接起來后，還可以進行并行計算。服務器不作為計算單元，而是管理中心，主要擔任局域網病毒查殺、軟件授權管理、工作站使用控制、重要資料和數據備份等工作。交換機是工作站間的數據傳輸樞紐，在并行計算時，數據傳輸量會較大，因此，交換機和傳輸線速率最好為G級。本方案如圖2所示，

圖2 工作站＋高速局域網的方案

4.1.2 刀片服務器方案

本方案是目前應用較廣、前景較好的計算中心解決方案。刀片服務器（見圖3）是一種高可用、高密度、低成本的服務器平臺，是專門為特殊應用行業和高密度計算機環境設計的，其主要結構為一大型主體機箱，內部可插上許多刀片。刀片服務器的每一塊刀片實際上就是一塊系統母板，類似于一個獨立的服務器，它們可以通過本地硬盤啟動自己的操作系統。

圖3 刀片服務器外觀

管理員可以使用系統軟件將這些系統母板集合成一個服務器集群。在集群模式下，所有的母板可以連接起來提供高速的網絡環境，并同時共享資源，為不同的用戶群服務。在集群中插入新的刀片，就可以提高整體性能。由于每塊刀片都是熱插拔的，所以可以很容易地進行系統替換，并且將維護時間減少到最小。

但該方案也有缺點。刀片服務器的顯示能力較差，利用刀片服務器很難進行建模、處理網格和結果顯示等對顯示能力要求高的工作，需要另外購置終端進行上述工作。該方案中的工作方法一般是借助其他終端完成建模和網格劃分工作后，利用刀片服務器進行計算，再在其他終端上顯示仿真計算結果。

4.1.3 工作站＋刀片服務器的集成方案

工作站加刀片服務器的集成方案方案（見圖4）融合了工作站加高速局域網方案和刀片服務器方案的優點，避開了它們的缺點。

圖4 工作站＋刀片服務器的集成方案

在該方案中，使用刀片服務器作為計算中心，使用終端進行建模、仿真結果的顯示與處理，終端和刀片服務器通過網絡連接。刀片和工作站數量可視工作需求進行配置。

4.2 軟件建設

由于不同行業所用到的軟件不同，所以沒有固定的建設模式可循。根據大多數行業可能用到的通用軟件，按學科歸類如下：

（1）力學軟件：剛體動力學仿真軟件MSC.Adams和DADS，彈塑性力學仿真軟件MSC.Nastran、Ansys、MSC.Marc和Abaqus等，瞬態動力學仿真軟件LS-Dyna、Autodyn和MSC.Dytran；

（2）熱分析軟件：FloTHERM；

（3）電磁學軟件：Ansoft和CTS；

（4）流體分析軟件：CFX、Fastran和Fluent；

（5）電路設計和分析軟件：Mentor；

（6）微機電設計及仿真軟件：Coventware，Intellisuit；

（7）優化分析軟件：iSight；

（8）可以進行多物理場耦合的分析軟件：Ansys，Comsol，MD Nastran。

由于各個行業都有很多專業軟件，在此不再一一列出。

5 結束語

根據高校科研的需求和多學科／多物理場仿真特點提出的3種不同的建設方法各有優缺點，可供不同場合采用。其中第一種和第二種架構方法已經在北京理工大學得到應用，目前運行效果良好。

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［1］邸彥強，李伯虎，柴旭東，等.多學科虛擬樣機協同建模與仿真平臺及其關鍵技術研究［J］.計算機集成制造系統，2005，11（7）：901-908.

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Discussion on construction of multidisciplinary／multi-physics field simulation center

Song Rongchang1，Lan Shan2，Sui Li1
（1.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Experiment and Equipment Department，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Based on the status of universities in scientific research and the development demands of multidisciplines，this paper analyzes four characteristics of multidisciplinary／multi-physics field simulation，proposes four construction principles of the multidisciplinary design simulation and optimization center in the universities，and puts forward three typical architectural approaches for hardware construction，as well as their respective advantages and disadvantages.The current general multidisciplinary／multi-physics field software construction content also is provided.

multi-disciplinary／multi-physics field；simulation center；laboratoryconstruction

G482

A

1002-4956（2013）03-0187-03

2012-10-23

宋榮昌（1978—），男，山西定襄，碩士，實驗師，主要從事機電系統設計與仿真的教學與研究及實驗室管理.

E-mail：bit＿src＠bit.edu.cn

book=192,ebook=124