RADIOSS：以工程應(yīng)用為第一落腳點(diǎn)

齊健

顯式時(shí)間積分和減縮積分殼單元的應(yīng)用，以及超級(jí)矢量計(jì)算機(jī)（CRAY）的出現(xiàn)，促成了工業(yè)界的第一次碰撞仿真。在此背景下，1986年，法國(guó)Mecalog公司針對(duì)向量計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出了應(yīng)用向量編程的有限元分析軟件RADIOSS。2006年Altair公司宣布收購(gòu)MecalogGroup及其主打產(chǎn)品RADIOSS，并將RADIOSS整合到HyperWorks軟件中。RADIOSS融合了線(xiàn)性與非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)有限元求解技術(shù)、多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)以及流固耦合仿真技術(shù)，可以求解應(yīng)用力學(xué)領(lǐng)域中的許多非線(xiàn)性問(wèn)題，是一款成熟的工程分析與設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)工具。

從20世紀(jì)80年代到今天，汽車(chē)碰撞模型已經(jīng)從6000個(gè)單元擴(kuò)大到了近千萬(wàn)個(gè)，而RADIOSS求解器也經(jīng)歷了整整30年的發(fā)展歷程，從最初的專(zhuān)門(mén)應(yīng)對(duì)碰撞數(shù)值仿真問(wèn)題，走向了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，RADIOSS可以解決來(lái)自產(chǎn)品制造、地面交通、航空航天、能源、軍工以及電子消費(fèi)品等各個(gè)領(lǐng)域的工程問(wèn)題。

基于工程應(yīng)用改進(jìn)的RADIOSS

“在RADIOSS這30年的發(fā)展中，求解器面向的工程領(lǐng)域變廣了，但是軟件立足于實(shí)際工程應(yīng)用的態(tài)度沒(méi)有變。”日前，Altair公司RADIOSS業(yè)務(wù)拓展副總裁Jean Michel Terrier先生在Altair北京辦公室接受本刊記者的采訪(fǎng)時(shí)這樣告訴記者。他還以HyperWorks 14.0在汽車(chē)、航空以及電子行業(yè)推出的新功能為例，向記者介紹了HyperWorks以及RADIOSS求解器針對(duì)不同行業(yè)，基于工程實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)是很多汽車(chē)廠(chǎng)商的關(guān)注重點(diǎn)，仿真分析的應(yīng)用早已不局限于模擬驗(yàn)證，大部分廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始利用模擬分析結(jié)果指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)，在這部分分析工作中，材料分析過(guò)程尤為重要。汽車(chē)設(shè)計(jì)中需要應(yīng)用到很多帶有失效材料的本構(gòu)模型，針對(duì)這一問(wèn)題，Altair將實(shí)際工程應(yīng)用中得到的一系列材料本構(gòu)參數(shù)輸入到求解器中，直接提供給用戶(hù)，簡(jiǎn)化了用戶(hù)分析本構(gòu)模型的過(guò)程。

此外，在HyperWorks 14.0中RADIOSS的擴(kuò)展有限元技術(shù)也得到了增強(qiáng)。對(duì)于求解器計(jì)算來(lái)說(shuō)，實(shí)體單元網(wǎng)格可以有效提高計(jì)算精度，但是以現(xiàn)有的計(jì)算能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求。因此Altair選擇應(yīng)用殼單元網(wǎng)格，而應(yīng)用殼單元網(wǎng)格就需要考慮失效和網(wǎng)格劃分等問(wèn)題。擴(kuò)展有限元技術(shù)則可以更好地模擬裂紋擴(kuò)展，很多大型的汽車(chē)企業(yè)，以及制造廠(chǎng)商都在應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。

航空領(lǐng)域?qū)τ诓牧戏治鲇兄嗟男枨螅贖yperWorks 14.0中，復(fù)合材料分析的功能得到了大幅增強(qiáng)。比如對(duì)高強(qiáng)度復(fù)合材料進(jìn)行熱沖壓和冷卻分析，增加了熱沖壓的材料穩(wěn)構(gòu)，在沖壓冷卻過(guò)程中，引入了新的時(shí)間步長(zhǎng)算法，對(duì)比之前的算法，可以提高4倍以上的解算速度。同時(shí)增加了一些跟其他求解器的耦合，提高了耦合的計(jì)算精度。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中多軟件、多求解器協(xié)同應(yīng)用是非常普遍的現(xiàn)象，這就涉及到了不同軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，Altair面向多種求解器設(shè)計(jì)了不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，并持續(xù)改進(jìn)不同求解器之間的契合度，使分析數(shù)據(jù)可以在不同求解器之間進(jìn)行無(wú)縫傳輸，不需要過(guò)多的人工干預(yù)。

電子產(chǎn)品要求上市速度快，開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)，導(dǎo)致了其設(shè)計(jì)、仿真與制造過(guò)程與傳統(tǒng)制造業(yè)有所不同。RADIOSS為電子產(chǎn)品分析提供了高效的接觸算法，接觸算法不僅可以提高電子產(chǎn)品求解過(guò)程中的計(jì)算速度，同時(shí)也可以保證產(chǎn)品的分析精度。

產(chǎn)品發(fā)展離不開(kāi)與用戶(hù)的緊密合作

“要做到基于工程實(shí)踐，就要走近用戶(hù)，與用戶(hù)共同面對(duì)、解決問(wèn)題。”Jean Michel Terrier介紹說(shuō)，Altair是做工程咨詢(xún)起家的，因此更關(guān)注與用戶(hù)的合作。咨詢(xún)服務(wù)可以更好地幫助Altair接觸工程實(shí)踐，了解用戶(hù)的需求，在幫助用戶(hù)解決問(wèn)題的過(guò)程中，與用戶(hù)共同探討、改進(jìn)分析軟件的功能，并基于用戶(hù)需求開(kāi)發(fā)新的軟件功能。

自Altair收購(gòu)RADIOSS以來(lái)，RADIOSS在全球的用戶(hù)規(guī)模增長(zhǎng)了10倍。福特、標(biāo)致、法拉利及葛蘭素史克等國(guó)際知名廠(chǎng)商都在應(yīng)用RADIOSS求解器。隨著仿真應(yīng)用企業(yè)的增多，企業(yè)對(duì)于仿真應(yīng)用的要求也越來(lái)越多樣化，對(duì)于應(yīng)用水平比較成熟的軍工、航空以及汽車(chē)企業(yè)，要求仿真軟件提高大型求解能力和求解速度，并保證計(jì)算的精確性。而對(duì)于剛剛開(kāi)始應(yīng)用或者應(yīng)用需求不強(qiáng)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，則需要更為易用，且開(kāi)銷(xiāo)較低的仿真服務(wù)。

RADIOSS根據(jù)用戶(hù)需求特性制定了三個(gè)不同階段的服務(wù)策略：增強(qiáng)工程分析易用性、開(kāi)發(fā)企業(yè)短期應(yīng)用需求以及研究企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。對(duì)于初級(jí)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)在于提高易用性、魯棒性和解算速度，幫助用戶(hù)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間；而對(duì)于有一定應(yīng)用基礎(chǔ)的用戶(hù)，幫助用戶(hù)預(yù)測(cè)短期主流需求，在與用戶(hù)的緊密合作中，發(fā)現(xiàn)企業(yè)未來(lái)一到兩年中應(yīng)該重視的問(wèn)題，并找到解決方案；工程分析應(yīng)用比較深入的用戶(hù)則需要研究企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展方向，以及可以在企業(yè)運(yùn)作過(guò)程中優(yōu)化的流程。

Jean Michel Terrier表示，一直以來(lái)，Altair積極推動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)，保持HyperWorks產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于用戶(hù)迅速上漲的新需求，則通過(guò)并購(gòu)的手段，優(yōu)化自身產(chǎn)品和技術(shù)，力圖把創(chuàng)新的解決方案推廣給更多的用戶(hù)。

在研發(fā)方面，Altair即將推出一款全新的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品“ACTIVATE”。它將幫助企業(yè)建立混合模型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。SolidThinking ACTIVATE可以幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、系統(tǒng)仿真工程師完成建模并優(yōu)化多學(xué)科仿真系統(tǒng)。

近年來(lái)，Altair看中了電磁仿真市場(chǎng)的發(fā)展。2014年，Altair并購(gòu)了EMSS，并整合了其先進(jìn)的電磁仿真解決方案FEKO。進(jìn)一步增強(qiáng)了HyperWorks產(chǎn)品，為用戶(hù)提供更多求解器功能，尤其在航空航天、汽車(chē)和造船行業(yè)。2016年，Altair又收購(gòu)了法國(guó)電磁仿真軟件商CEDRAT，將其主打產(chǎn)品Flux整合至產(chǎn)品線(xiàn)中，擴(kuò)展HyperWorks產(chǎn)品組合的電磁和熱仿真能力，能夠滿(mǎn)足更低頻率的仿真要求。

用“軟”技術(shù)突破“硬”瓶頸

1965年，Intel公司的創(chuàng)始人Gordon Moore提出了集成電路發(fā)展的摩爾定律。而就在2016年初，最新出版的《自然》雜志宣布摩爾定律被技術(shù)瓶頸打破。受限于制造技術(shù)，目前的計(jì)算機(jī)核心數(shù)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，核心主頻也碰觸了天花板，物理計(jì)算能力成為了軟件發(fā)展的瓶頸，硬件先于軟件發(fā)展的規(guī)律正在改變。

基于多核并行計(jì)算技術(shù)和GPU計(jì)算技術(shù)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為軟件行業(yè)優(yōu)化計(jì)算速度的趨勢(shì)。應(yīng)用在仿真軟件中的并行計(jì)算需要在求解計(jì)算過(guò)程中把模型分成不同的區(qū)塊，分配給不同的CPU進(jìn)行計(jì)算。RADIOSS的并行計(jì)算能力在HyperWorks 14.0版本中得到了進(jìn)一步的提升，Altair對(duì)RADIOSS進(jìn)行了重新編碼，提高了內(nèi)部信息交換的效率，提升了分塊計(jì)算的能力。RADIOSS可以在不同的服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，最多可以同時(shí)在14000個(gè)CPU核心中進(jìn)行混合并行求解。

在軟件的研發(fā)過(guò)程中，Altair與英特爾、惠普等眾多硬件產(chǎn)成廠(chǎng)商都有合作，通過(guò)把握硬件的開(kāi)發(fā)方向不斷改進(jìn)軟件。Altair主打的軟件計(jì)算調(diào)度和管理工具PBS就大量采用了先進(jìn)的HPC技術(shù)，通過(guò)PBS調(diào)度不同的求解器，再把不同的RADIOSS求解任務(wù)運(yùn)行于HPC中進(jìn)行并行求解，實(shí)現(xiàn)仿真效率的大幅提升。同時(shí)，PBS還可以為用戶(hù)提供遠(yuǎn)程仿真云技術(shù)。通過(guò)仿真云，企業(yè)可以協(xié)調(diào)來(lái)自世界各地的不同工程師，并基于云計(jì)算中心快速處理協(xié)同任務(wù)，快速調(diào)用分析結(jié)果。

記者手記：

在采訪(fǎng)中，Jean Michel Terrier多次提到了Altair加快技術(shù)更新速度的并購(gòu)舉措，這也就不得不說(shuō)起當(dāng)下CAE乃至PLM市場(chǎng)“大魚(yú)” 整合“小魚(yú)”的現(xiàn)象。Jean Michel Terrier認(rèn)為，與整個(gè)PLM市場(chǎng)相比，CAE市場(chǎng)的體量很小，出現(xiàn)并購(gòu)整合是很自然的現(xiàn)象。并購(gòu)對(duì)于CAE廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)并不是壞事，一方面可以為CAE廠(chǎng)商提供比較充裕的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，另一方面也可以增強(qiáng)信息化的整體性。但他同時(shí)也表示，目前Altair并不需要這樣的整合，Altair的產(chǎn)品具有很好的開(kāi)放性，可以與所有主流的CAD軟件、求解器以及PLM平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接。而作為獨(dú)立的CAE廠(chǎng)商，Altair擁有很強(qiáng)的自主性和創(chuàng)新性，在軟件開(kāi)發(fā)以及與用戶(hù)的合作方面可以保證為用戶(hù)提供最適應(yīng)工程需要，最符合需求的產(chǎn)品與服務(wù)。