計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用及展望

王軍

摘要：計(jì)算機(jī)輔助工程是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。目前越來越多的企業(yè)開始引進(jìn)CAE計(jì)算機(jī)輔助工程軟件并組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)，逐步深入開展以計(jì)算機(jī)輔助工程軟件為重要工具的研發(fā)工作。本文分析了計(jì)算機(jī)輔助工程的工作原理，介紹了計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用現(xiàn)狀，論述了計(jì)算機(jī)輔助工程的發(fā)展方向，以供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 輔助工程 應(yīng)用 展望

中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0239-01

1 計(jì)算機(jī)輔助工程的工作原理分析

通常情況下，計(jì)算機(jī)輔助工程分析主要分為前處理、計(jì)算分析和后處理這3個(gè)主要的階段。其中在前處理主要是建立問題的幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、建立用于計(jì)算分析的數(shù)值模型、確定模型的邊界條件和初始條件等；計(jì)算分析是對所建立的數(shù)值模型進(jìn)行求解，經(jīng)常需要求解大型的線性方程組，這個(gè)過程是CAE分析中計(jì)算量最大、對硬件性能要求最高的部分；后處理則是以圖形化的方式對所得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查和處理。

2 計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

計(jì)算機(jī)輔助工程從上個(gè)世紀(jì)60年代初在工程上開始應(yīng)用到今天，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中（如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)介質(zhì)力學(xué)各類問題的一種重要手段。目前大多數(shù)企業(yè)仍然處于利用云計(jì)算架構(gòu)幫助企業(yè)降低企業(yè)計(jì)算資源的建設(shè)、運(yùn)維、升級的成本的階段，現(xiàn)在我們再來分析一下計(jì)算機(jī)輔助工程行業(yè)的資源生態(tài)：圍繞仿真應(yīng)用者，我們看到有軟件供應(yīng)商、信息中心、硬件供應(yīng)商、公共超算、計(jì)算機(jī)輔助工程云許可證、計(jì)算機(jī)輔助工程咨詢服務(wù)商、研發(fā)協(xié)同平臺、數(shù)據(jù)管理平臺、研發(fā)知識系統(tǒng)等等重要參與角色。

但是中國企業(yè)在規(guī)模化應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的過程中，還存在著軟硬件資源利用無序且低效、資源調(diào)度與項(xiàng)目匹配脫節(jié)以及數(shù)據(jù)流程安全保障手段弱的問題。目前現(xiàn)階段，部分企業(yè)在購置了若干高性能的工作站、昂貴的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件之后，計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算任務(wù)基本靠研究人員個(gè)體之間協(xié)調(diào)，難以建立合理機(jī)制在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)之間進(jìn)行共享，無法突破大規(guī)模計(jì)算需求經(jīng)常會(huì)遇到硬件資源的瓶頸，應(yīng)用效率極為低下，同時(shí)因?yàn)橛布O(shè)備固有的淘汰周期而降低了硬件資源的投資回報(bào)率。而且目前在眾多企業(yè)中，計(jì)算機(jī)輔助工程相關(guān)的軟硬件資源基本屬于靜態(tài)分配，企業(yè)難以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從而分析軟件利用率、硬件利用率與項(xiàng)目密度之間的關(guān)系曲線，大多無法根據(jù)項(xiàng)目重要性、緊急程度進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)配，從而無法實(shí)時(shí)的將軟硬件資源轉(zhuǎn)化為高效率的研發(fā)生產(chǎn)力，無法為后續(xù)計(jì)算機(jī)輔助工程資源配置提供數(shù)據(jù)支持與策略指導(dǎo)。關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助工程工作的相關(guān)數(shù)據(jù)及流程的規(guī)范與安全已經(jīng)成為眾多企業(yè)的IT工作重點(diǎn)，可是分散型的計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算資源成為后續(xù)工作的一大難點(diǎn)。如何利用自動(dòng)化的IT手段實(shí)時(shí)監(jiān)管計(jì)算機(jī)輔助工程數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程，從而有效的監(jiān)管并規(guī)范計(jì)算機(jī)輔助工程工作流程，這將是計(jì)算機(jī)輔助工程工作順利集成進(jìn)入研發(fā)流程的必須逾越的一道障礙。

上述問題能否得到有效解決，將直接影響計(jì)算機(jī)輔助工程研發(fā)工作是否能夠真正主導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新的進(jìn)程。

3 計(jì)算機(jī)輔助工程的發(fā)展方向

3.1 資源生態(tài)化發(fā)展

首先我們看到生態(tài)參與者正在釋放出很多重要信號，計(jì)算機(jī)輔助工程軟件原廠商正在嘗試推出Cloud License，用戶使用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件將可以按需付費(fèi)，同時(shí)也和公共云Amazon、Azure等合作推出許可證+硬件+軟件的一體化在線服務(wù)；國內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件代理商也正在由單純的工具提供者逐步轉(zhuǎn)型為知識提供者，或者轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒獭?shù)據(jù)管理軟件商；國內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助工程公共服務(wù)平臺也演化為兩種類型，一類是以上海超級計(jì)算中心為代表，積極實(shí)踐計(jì)算機(jī)輔助工程混合云計(jì)算服務(wù)模式，一類以北京市計(jì)算中心為代表，創(chuàng)新開拓工業(yè)云應(yīng)用商店。

3.2 性能高效化

在1980年以后，在CAE領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了高性能平臺的構(gòu)建，其能夠進(jìn)行許多關(guān)鍵計(jì)算。分布式內(nèi)存的Cluster系統(tǒng)是近年來迅速普及的一種高性能服務(wù)器體系。集群是一組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)（節(jié)點(diǎn)）的集合體，節(jié)點(diǎn)間通過高性能的互連網(wǎng)絡(luò)連接，可以協(xié)同工作并表現(xiàn)為一個(gè)單一的、集中的計(jì)算資源（單一系統(tǒng)映象）供并行計(jì)算任務(wù)使用。構(gòu)建這類服務(wù)器的成本比較低，具有良好的性價(jià)比和可擴(kuò)放性。集群作為當(dāng)前高性能計(jì)算機(jī)的主流架構(gòu)，在Top 500中占據(jù)了75%以上的份額。因此，當(dāng)前主流的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件都提供了對集群架構(gòu)和MPI的支持。計(jì)算機(jī)輔助工程在制造企業(yè)中承擔(dān)著關(guān)鍵的業(yè)務(wù)，高性能計(jì)算平臺直接影響計(jì)算機(jī)輔助工程的運(yùn)行性能表現(xiàn)、整體成本和系統(tǒng)維護(hù)等方面問題。

除此之外計(jì)算機(jī)輔助工程還需要向著基于高性能計(jì)算調(diào)度軟件工具進(jìn)行二次開發(fā)及功能擴(kuò)展，降低HPC系統(tǒng)運(yùn)維復(fù)雜度；CAE前后處理、求解服務(wù)全集成，緩解超算用戶工具碎片化困境，減少文件傳輸耗時(shí)，提升用戶體驗(yàn)； 提供計(jì)算資源統(tǒng)一調(diào)用接口，無縫接入工業(yè)云服務(wù)平臺，進(jìn)而發(fā)展多學(xué)科、跨行業(yè)的專家級解決方案；探索公共CAE平臺的新型服務(wù)及運(yùn)營模式等方向發(fā)展。

4 結(jié)語

企業(yè)要與計(jì)算中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)密切配合，攻關(guān)多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)以及系統(tǒng)屏障，共同構(gòu)建國內(nèi)工業(yè)計(jì)算應(yīng)用商店，通過技術(shù)合作，在思維認(rèn)識上實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，要深切認(rèn)識到計(jì)算資源調(diào)度系統(tǒng)僅是計(jì)算資源服務(wù)平臺的一部分，計(jì)算資源服務(wù)的更高階形式將是知識集成服務(wù)，將來計(jì)算機(jī)輔助工程需要更多科研人員參與盡量，促進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算服務(wù)的發(fā)展與轉(zhuǎn)型。

參考文獻(xiàn)

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