計算機輔助工程（CAE）的現(xiàn)在和未來分析

劉金輝

數(shù)字仿真通常被稱為計算機輔助工程（CAE）。利用數(shù)字仿真，可以評審更多概念，以更快的速度做出更好的決策，最后確定性能更好的產(chǎn)品設(shè)計方案，為企業(yè)帶來更高的利潤。本文分析了現(xiàn)階段計算機輔助工程（CAE）軟件應(yīng)用過程中存在弊端，提出了CAE未來發(fā)展的方向以供參考。

【關(guān)鍵詞】計算機 仿真 生態(tài)化 CAE

1 現(xiàn)階段計算機輔助工程（CAE）軟件應(yīng)用過程中存在弊端

中國企業(yè)在規(guī)?；瘧?yīng)用CAE軟件的過程中，不約而同的遇到了以下關(guān)于計算機輔助工程（CAE）計算資源管理方面的問題。部分企業(yè)在購置了若干高性能的工作站，昂貴的CAE軟件之后，難以建立合理機制在項目團(tuán)隊之間進(jìn)行共享，大規(guī)模計算需求經(jīng)常會遇到硬件資源瓶頸而無法解決，同時因為硬件設(shè)備固有的淘汰周期而降低了硬件資源的投資回報率。還有企業(yè)中CAE相關(guān)的軟硬件資源基本屬于靜態(tài)分配，無法實時的將軟硬件資源轉(zhuǎn)化為高效率的研發(fā)生產(chǎn)力，無法為后續(xù)CAE資源配置提供數(shù)據(jù)支持與策略指導(dǎo)。除此之外，分散型的CAE計算資源成為后續(xù)工作的一大難點。如何利用自動化的IT手段實時監(jiān)管CAE數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程，從而有效的監(jiān)管并規(guī)范CAE工作流程，這將是CAE工作順利集成進(jìn)入研發(fā)流程的必須逾越的一道障礙。部分工業(yè)用戶選擇了某些國外品牌的高性能計算調(diào)度工具軟件包，冀望借助其任務(wù)排隊策略實現(xiàn)CAE計算資源的共享，然而這些軟件的易用性與可擴(kuò)展性方面的缺陷，常常讓CAE應(yīng)用工程師望而卻步，造成高端計算資源的投資損失。

2 目前計算機輔助工程（CAE）的主要方案

為了在產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)最優(yōu)的數(shù)字仿真水平，許多企業(yè)提供一套綜合的CAE解決方案，旨在滿足各級用戶的需求。

2.1 高級仿真環(huán)境

首先提供一個高級仿真環(huán)境，為高級分析提供了多種解決方案，包括了NX Advanced Simulation，一個解決方案組合，合并了一個集成化的NX Nastran 解算器和NX Advanced FEM-一組范圍廣泛的模型創(chuàng)建和評審工具。利用廣泛的幾何圖形理想化和提取功能，可以快速開發(fā)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，這樣就可以根據(jù)對真實產(chǎn)品性能的理解做出設(shè)計決策。 還包括NX Nastran，一個獨立或無縫集成的解決方案，是很多NX Digital Simulation產(chǎn)品的核心，用于定義高級FEA解算器的世界標(biāo)準(zhǔn)。除此之外還有開放的CAE環(huán)境，可以用于在一個在幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多CAD系統(tǒng)、多物理場環(huán)境中快速創(chuàng)建并評審有限元仿真。

2.2 多解決方案環(huán)境

包括一個自定義的環(huán)境，用于行業(yè)領(lǐng)先的結(jié)構(gòu)解算器，包括 ABAQUS、ANSYS、MSC.NASTRAN 和 NX Nastran。 其中NX Flow提供一套嵌入解算器，在開發(fā)過程中用于仿真復(fù)雜的流動分析問題。 NX Thermal可以有效仿真穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱響應(yīng)，包括循環(huán)過程。NX Nastran 用于對部件以及系統(tǒng)級的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真。

2.3 設(shè)計仿真環(huán)境

通過利用可重復(fù)的最佳實踐，UGS提供了一個高級環(huán)境，為Design Simulation Environment（“設(shè)計仿真環(huán)境”）提供支持。運用該解決方案提供的各項功能，工程師可以直接在設(shè)計環(huán)境里面利用高級分析技術(shù)。該解決方案提供的產(chǎn)品包括NX Design Simulation，是一個設(shè)計集成、易用的NX應(yīng)用程序，可以幫助設(shè)計人員和工程師自然地預(yù)測部件和裝配的結(jié)構(gòu)耐久性、強度、振動、bucking（浸漬）和熱行為。還包括NX Motion Simulation，能夠幫助用戶根據(jù)功能性能設(shè)計目標(biāo)預(yù)測裝配和產(chǎn)品的復(fù)雜運動行為；該解決方案包括一整套工具，涵蓋了高級、動態(tài)、靜態(tài)和運動學(xué)仿真的所有方面。

2.4 仿真流程自動化

利用供應(yīng)商提供的解決方案，可以通過CAE分析制定準(zhǔn)則，確保CAE經(jīng)驗有限的設(shè)計人員在整個CAE環(huán)境中都能進(jìn)行安全操作，確保最終用戶獲得真實、可靠的結(jié)果，而最困難、最復(fù)雜的工作則由CAE專家執(zhí)行。這里NX Simulation Process Studio是一個圖形工具箱，用于創(chuàng)建CAE最佳實踐向?qū)Вū热鏝X Strength Wizard），對其進(jìn)行自定義以滿足客戶專用的CAE過程和設(shè)計分析要求。NX Strength Wizard通過為用戶提供清楚、簡明的指導(dǎo)，在快速、簡單的結(jié)構(gòu)分析中為不精通仿真技術(shù)的用戶設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)，幫助引導(dǎo)用戶完成五個快速、簡單的仿真步驟，用有限元分析（FEA）方法來安全地分析設(shè)計。有了Quick Check，公司可以用自動化檢查工具來監(jiān)控零件和裝配模型的質(zhì)量、重量、關(guān)鍵尺寸以及其它參數(shù)。每次模型更新后，這些自動化檢查工具都會隨之重復(fù)。

3 計算機輔助工程未來發(fā)展的方向

首先我們看到生態(tài)參與者正在釋放出很多重要信號，計算機輔助工程軟件原廠商正在嘗試推出Cloud License，用戶使用計算機輔助工程軟件將可以按需付費，同時也和公共云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)的計算機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)的計算機輔助工程公共服務(wù)平臺也演化為兩種類型，一類是以上海超級計算中心為代表，積極實踐計算機輔助工程混合云計算服務(wù)模式，一類以北京市計算中心為代表，創(chuàng)新開拓工業(yè)云應(yīng)用商店。

“云”是一種基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的共享基礎(chǔ)架構(gòu)的計算模式，也是未來CAE發(fā)展的方向，可以將IT硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)以及軟件應(yīng)用等整合成為直觀、易用的資源池，并通過網(wǎng)絡(luò)為用戶提供在線服務(wù)。在信息化革命浪潮的新階段，云計算模式被視為并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展，是虛擬化、效用計算、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺即服務(wù)、軟件即服務(wù)等概念混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。仿真云是云計算模式在先進(jìn)制造業(yè)的一項極為重要的應(yīng)用實踐，是將多學(xué)科仿真應(yīng)用、高性能計算集群管理、SOA、Web Service等IT技術(shù)高度融合的企業(yè)級計算資源管理系統(tǒng)解決方案。仿真云是建設(shè)于高性能計算、高清虛擬化等基礎(chǔ)架構(gòu)之上的CAE計算資源管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)以下重要功能。

4 小結(jié)

面對計算機輔助工程資源生態(tài)的發(fā)展新動態(tài)，建議企業(yè)首先要有一個核心理念，建立ECRP管理體系，從戰(zhàn)略方法上占領(lǐng)一個高度，還要要擴(kuò)展計算資源的服務(wù)形式，把很多成熟的計算機輔助工程計算模板轉(zhuǎn)化為企業(yè)的研發(fā)知識，形成統(tǒng)一在線的計算服務(wù)，促進(jìn)其更好發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

黑龍江省計算機軟件研究中心 黑龍江省哈爾濱市 150028