融合云和超级计算CAE软件集成系统设计

摘要: 云计算和超级计算是信息化时代发展的产物。针对普通用户使用 CAE 软件及其复杂业务进行高性能计算的需求问题，提出融合云计算和超级计算的 CAE 软件集成系统的架构设计及其实现的关键技术。

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融合云计算和超级计算CAE软件集成系统设计

2020-2021工业软件行业研究报告

2022年中国工业软件市场研究报告——智能制造与工业软件的实践研究

20 世纪 60 年代，Clough ＲW首次使用有限元法这一名称．随后，有限元法在发展其自身的理论和方法外，还应用于机械、汽车、船舶、航天航空、土木及海洋工程等领域。因此，有限元法成为现代机械产品设计、制造以及结构疲劳分析的重要工具。

有限元法是科学计算中非常重要的一种方法，其求解过程如图 1 所示。它的基本思想是: 首先，对研究对象的分析区域进行网格划分，并且对其进行数学建模；然后，对数学模型进行求解并且计算分析; 最后把求解的结果转化成网格图形，对其分析。

总之，有限元法的实质是把连续体或连续结构进行划分，并且按照一定的方式结合在一起形成平衡方程，再加上边界条件进行求解。因此，有限元的求解过程可以归结为求解方程组的过程，而此类方程组具有稀疏性并且计算规模非常庞大。在有限元法的理论和实践分析可知，大部分时间都是耗费在数值计算上，也就是说在工程问题中，大部分时间是花费在方程组的求解上。

由于求解方程组的速度决定着整个有限元法的求解效率，而传统计算机由于受到 CPU 的计算速度和存储空间的限制，在使用有限元软件进行有限元求解时，常常因为问题规模的庞大，存储空间的不足导致计算时间过长，甚至无法计算分析。

超级计算机的诞生在一定程度上可以解决这个问题，但是在超级计算机上使用有限元软件有一定的局限性。超级计算机仅支持 Linux 版本的有限元软件，而现实中企业由于操作的方便性，更青睐于 Window 版本的有限元软件。

另外，超级计算机一般服务于大型企业、科研机构，还有一些大型的国营企业，小型民营企业、创业起步阶段企业无法承受使用超级计算机的费用。最重要的是，在超级计算机上进行高性能计算，需要企业等自行配置专业人员进行软件安装、测试、监控等等，这些专业人员不仅需要行业专业知识，又要具备计算机专业知识，用人门槛高．而通过统一接口将 CAE 软件集成起来，利用融合云计算和超级计算的平台将这些资源提供给企业共享，不仅可以节约资源和成本让企业各取所需，还可以缩短企业使用 CAE 软件进行作业的时间。

此外，小型企业也可以付出较小的费用获得高性能计算服务。因此，本文提出融合云计算和超级计算的 CAE 集成平台架构设计。

在工业设计领域，CAE 平台的并行化已经成为一个热点问题，我国在超级计算机系统与 CAE 软件之间的集成技术上，缺乏研究的基础和工程实践的基础。大型工程问题，比如飞机、轮船等都是结构极其复杂，数据仿真极其困难，普通的单机、工作站很难完成其结构和功能的优化设计。因此，需要超级计算机技术来解决此类问题。

国内外有不少关于有限元求解器移植到超级计算机的尝试。文献提出了在 Linux 集群技术构建的高性能计算平台下，Ansys分布式计算的关键配置和应用，并对如何发挥其并行优势提出了建议。在有限元软件并行化方面，上海超算中心联合上海交大进行的有限元并行应用改造试验。他们使用商业有限元软件 Nastran 在“神威 I”超级计算机系统进行了移植和并行计算功能的二次开发。

在分布式计算、网格计算和并行计算的快速发展下，尤其是虚拟技术、多核处理器和分布式存储的高速发展，云计算产生了．企业只需要为所要的资源付费，就可以使用部署在云端的资源，这节约了企业购置硬件配置、软件，还有软件和硬件的维护费用，可以让企业集中投资到研发中。

基于云计算和超级计算平台的 CAE 集成系统，主要目的在于让工业设计人员可以选择最优的CAE 软件进行作业，择优选取 CAE 软件进行工业产品的设计、疲劳分析、计算、实验和仿真等等，并且让设计人员可以通过互联网快捷地使用该平台，平台内部框架如图 2 所示。

软件即服务层为用户提供基本的软件使用; 平台即服务层为用户提供用户的安全登录、身份认证，中间件系统是为复杂业务流程提供数据转换的一个转换系统。而是否启用复杂业务流程系统在于用户是否需要使用不同的 CAE 软件。基础设施即服务层提供最基本的硬件和系统支持，根据用户所选软件版本选择不同的操作系统进行作业。其主要流程有:

1) 数据的前后处理

有限元求解流程中，前处理将产生一个有限元模型几何体的全过程，可以输入物理特性、描述边界条件和载荷来对模型进行修正，将直接影响整个作业的优劣，其主要流程包括: 导入模型、设置参数、前处理结果的导出、网格划分、载荷的施加等等．网格的划分直接影响计算结果。后处理可将计算结果以粒子流迹显示、梯度显示、彩色等值线显示、立体切片显示、矢量显示、透明及半透明显示等图形方式显示，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

2) CAE 软件的求解器应用

该应用的大流程主要是生成作业、作业提交、作业执行、作业监控、结果生成。各种求解器的求解方法是不同的，但都是接收前处理后的文件，生成数学模型，通过 I /O 读取矩阵文件，调用函数对矩阵进行预处理，预处理后再进行求解．这里的求解方法主要是是直接法和迭代法两种。

3) CAE 软件的复杂业务应用

对于组合的复杂业务流程，比如流体固体耦合、CAE 参数的迭代优化和电液一体化联合仿真等等。

4) CAE 软件的数据转换

为了使不同的 CAE 软件之间进行沟通，实现数据共享，利用不同 CAE 软件的优势，提高作业效率和资源的利用率。CAE 软件的国际标准格式是 iges格式，很多 CAE 软件都支持该格式，通过中间格式iges 和 step 进行数据文件转换，不会受软件类别和版本的限制，有较强的通用性。

融合云计算和超级计算平台的 CAE 集成系统，使用虚拟技术屏蔽不同软件需要的操作系统，部署各种 CAE 软件。

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CAE行业和技术分析合集（1）

1、工业软件系列报告：软件为体，工业铸魂.pdf

2、2021工业软件行业研究报告.pdf