計算機輔助工程應用及展望

王軍

摘要：計算機輔助工程是用計算機輔助求解復雜工程和力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。目前越來越多的企業開始引進CAE計算機輔助工程軟件并組建專業團隊，逐步深入開展以計算機輔助工程軟件為重要工具的研發工作。本文分析了計算機輔助工程的工作原理，介紹了計算機輔助工程的應用現狀，論述了計算機輔助工程的發展方向，以供參考。

關鍵詞：計算機 輔助工程 應用 展望

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

1 計算機輔助工程的工作原理分析

通常情況下，計算機輔助工程分析主要分為前處理、計算分析和后處理這3個主要的階段。其中在前處理主要是建立問題的幾何模型、進行網格劃分、建立用于計算分析的數值模型、確定模型的邊界條件和初始條件等；計算分析是對所建立的數值模型進行求解，經常需要求解大型的線性方程組，這個過程是CAE分析中計算量最大、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算結果進行檢查和處理。

2 計算機輔助工程的應用現狀分析

計算機輔助工程從上個世紀60年代初在工程上開始應用到今天，現已成為工程和產品結構分析中（如航空、航天、機械、土木結構等領域）必不可少的數值計算工具，同時也是分析連續介質力學各類問題的一種重要手段。目前大多數企業仍然處于利用云計算架構幫助企業降低企業計算資源的建設、運維、升級的成本的階段，現在我們再來分析一下計算機輔助工程行業的資源生態：圍繞仿真應用者，我們看到有軟件供應商、信息中心、硬件供應商、公共超算、計算機輔助工程云許可證、計算機輔助工程咨詢服務商、研發協同平臺、數據管理平臺、研發知識系統等等重要參與角色。

但是中國企業在規?；瘧糜嬎銠C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、資源調度與項目匹配脫節以及數據流程安全保障手段弱的問題。目前現階段，部分企業在購置了若干高性能的工作站、昂貴的計算機輔助工程軟件之后，計算機輔助工程計算任務基本靠研究人員個體之間協調，難以建立合理機制在項目團隊之間進行共享，無法突破大規模計算需求經常會遇到硬件資源的瓶頸，應用效率極為低下，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。而且目前在眾多企業中，計算機輔助工程相關的軟硬件資源基本屬于靜態分配，企業難以獲得實時數據從而分析軟件利用率、硬件利用率與項目密度之間的關系曲線，大多無法根據項目重要性、緊急程度進行動態、實時調配，從而無法實時的將軟硬件資源轉化為高效率的研發生產力，無法為后續計算機輔助工程資源配置提供數據支持與策略指導。關于計算機輔助工程工作的相關數據及流程的規范與安全已經成為眾多企業的IT工作重點，可是分散型的計算機輔助工程計算資源成為后續工作的一大難點。如何利用自動化的IT手段實時監管計算機輔助工程數據的生產過程，從而有效的監管并規范計算機輔助工程工作流程，這將是計算機輔助工程工作順利集成進入研發流程的必須逾越的一道障礙。

上述問題能否得到有效解決，將直接影響計算機輔助工程研發工作是否能夠真正主導產品研發創新的進程。

3 計算機輔助工程的發展方向

3.1 資源生態化發展

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。

3.2 性能高效化

在1980年以后，在CAE領域逐漸出現了高性能平臺的構建，其能夠進行許多關鍵計算。分布式內存的Cluster系統是近年來迅速普及的一種高性能服務器體系。集群是一組獨立的計算機（節點）的集合體，節點間通過高性能的互連網絡連接，可以協同工作并表現為一個單一的、集中的計算資源（單一系統映象）供并行計算任務使用。構建這類服務器的成本比較低，具有良好的性價比和可擴放性。集群作為當前高性能計算機的主流架構，在Top 500中占據了75%以上的份額。因此，當前主流的計算機輔助工程軟件都提供了對集群架構和MPI的支持。計算機輔助工程在制造企業中承擔著關鍵的業務，高性能計算平臺直接影響計算機輔助工程的運行性能表現、整體成本和系統維護等方面問題。

除此之外計算機輔助工程還需要向著基于高性能計算調度軟件工具進行二次開發及功能擴展，降低HPC系統運維復雜度；CAE前后處理、求解服務全集成，緩解超算用戶工具碎片化困境，減少文件傳輸耗時，提升用戶體驗； 提供計算資源統一調用接口，無縫接入工業云服務平臺，進而發展多學科、跨行業的專家級解決方案；探索公共CAE平臺的新型服務及運營模式等方向發展。

4 結語

企業要與計算中心研發團隊密切配合，攻關多個技術難點以及系統屏障，共同構建國內工業計算應用商店，通過技術合作，在思維認識上實現質的飛躍，要深切認識到計算資源調度系統僅是計算資源服務平臺的一部分，計算資源服務的更高階形式將是知識集成服務，將來計算機輔助工程需要更多科研人員參與盡量，促進計算機輔助工程計算服務的發展與轉型。

參考文獻

[1]姚繼鋒.什么成就了超算中心[J].中國教育網絡，2010年06期.

[2]周琪鋒.開放實驗室創新模式的探索[J].實驗技術與管理，2008年12期.