計算機輔助工程（CAE）的現在和未來分析

劉金輝

數字仿真通常被稱為計算機輔助工程（CAE）。利用數字仿真，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品設計方案，為企業帶來更高的利潤。本文分析了現階段計算機輔助工程（CAE）軟件應用過程中存在弊端，提出了CAE未來發展的方向以供參考。

【關鍵詞】計算機 仿真 生態化 CAE

1 現階段計算機輔助工程（CAE）軟件應用過程中存在弊端

中國企業在規模化應用CAE軟件的過程中，不約而同的遇到了以下關于計算機輔助工程（CAE）計算資源管理方面的問題。部分企業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隊之間進行共享，大規模計算需求經常會遇到硬件資源瓶頸而無法解決，同時因為硬件設備固有的淘汰周期而降低了硬件資源的投資回報率。還有企業中CAE相關的軟硬件資源基本屬于靜態分配，無法實時的將軟硬件資源轉化為高效率的研發生產力，無法為后續CAE資源配置提供數據支持與策略指導。除此之外，分散型的CAE計算資源成為后續工作的一大難點。如何利用自動化的IT手段實時監管CAE數據的生產過程，從而有效的監管并規范CAE工作流程，這將是CAE工作順利集成進入研發流程的必須逾越的一道障礙。部分工業用戶選擇了某些國外品牌的高性能計算調度工具軟件包，冀望借助其任務排隊策略實現CAE計算資源的共享，然而這些軟件的易用性與可擴展性方面的缺陷，常常讓CAE應用工程師望而卻步，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

為了在產品開發環境中實現最優的數字仿真水平，許多企業提供一套綜合的CAE解決方案，旨在滿足各級用戶的需求。

2.1 高級仿真環境

首先提供一個高級仿真環境，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，可以快速開發復雜的數學模型，這樣就可以根據對真實產品性能的理解做出設計決策。 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產品的核心，用于定義高級FEA解算器的世界標準。除此之外還有開放的CAE環境，可以用于在一個在幾何結構復雜、多CAD系統、多物理場環境中快速創建并評審有限元仿真。

2.2 多解決方案環境

包括一個自定義的環境，用于行業領先的結構解算器，包括 ABAQUS、ANSYS、MSC.NASTRAN 和 NX Nastran。 其中NX Flow提供一套嵌入解算器，在開發過程中用于仿真復雜的流動分析問題。 NX Thermal可以有效仿真穩態和瞬態熱響應，包括循環過程。NX Nastran 用于對部件以及系統級的結構性能進行仿真。

2.3 設計仿真環境

通過利用可重復的最佳實踐，UGS提供了一個高級環境，為Design Simulation Environment（“設計仿真環境”）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計環境里面利用高級分析技術。該解決方案提供的產品包括NX Design Simulation，是一個設計集成、易用的NX應用程序，可以幫助設計人員和工程師自然地預測部件和裝配的結構耐久性、強度、振動、bucking（浸漬）和熱行為。還包括NX Motion Simulation，能夠幫助用戶根據功能性能設計目標預測裝配和產品的復雜運動行為；該解決方案包括一整套工具，涵蓋了高級、動態、靜態和運動學仿真的所有方面。

2.4 仿真流程自動化

利用供應商提供的解決方案，可以通過CAE分析制定準則，確保CAE經驗有限的設計人員在整個CAE環境中都能進行安全操作，確保最終用戶獲得真實、可靠的結果，而最困難、最復雜的工作則由CAE專家執行。這里NX Simulation Process Studio是一個圖形工具箱，用于創建CAE最佳實踐向導（比如NX Strength Wizard），對其進行自定義以滿足客戶專用的CAE過程和設計分析要求。NX Strength Wizard通過為用戶提供清楚、簡明的指導，在快速、簡單的結構分析中為不精通仿真技術的用戶設定新標準，幫助引導用戶完成五個快速、簡單的仿真步驟，用有限元分析（FEA）方法來安全地分析設計。有了Quick Check，公司可以用自動化檢查工具來監控零件和裝配模型的質量、重量、關鍵尺寸以及其它參數。每次模型更新后，這些自動化檢查工具都會隨之重復。

3 計算機輔助工程未來發展的方向

首先我們看到生態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；國內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型為知識提供者，或者轉變為流程、數據管理軟件商；國內的計算機輔助工程公共服務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模式，一類以北京市計算中心為代表，創新開拓工業云應用商店。

“云”是一種基于互聯網絡的共享基礎架構的計算模式，也是未來CAE發展的方向，可以將IT硬件、網絡、數據以及軟件應用等整合成為直觀、易用的資源池，并通過網絡為用戶提供在線服務。在信息化革命浪潮的新階段，云計算模式被視為并行計算、分布式計算和網格計算的發展，是虛擬化、效用計算、基礎設施即服務、平臺即服務、軟件即服務等概念混合演進并躍升的結果。仿真云是云計算模式在先進制造業的一項極為重要的應用實踐，是將多學科仿真應用、高性能計算集群管理、SOA、Web Service等IT技術高度融合的企業級計算資源管理系統解決方案。仿真云是建設于高性能計算、高清虛擬化等基礎架構之上的CAE計算資源管理系統，能夠實現以下重要功能。

4 小結

面對計算機輔助工程資源生態的發展新動態，建議企業首先要有一個核心理念，建立ECRP管理體系，從戰略方法上占領一個高度，還要要擴展計算資源的服務形式，把很多成熟的計算機輔助工程計算模板轉化為企業的研發知識，形成統一在線的計算服務，促進其更好發展。

參考文獻

[1]申長雨，李海梅；塑料模具CAE技術概況及發展趨勢[J].工程塑料應用，2013（02）.

[2]劉檢華，郭鋼，徐宗俊，蹇開林，張力.計算機輔助工程應用及展望[J].重慶大學學報（自然科學版），2014（06）.

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