CAE的那點破事兒(三)【轉發】

2017-03-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

前面說了很多關于要利用好CAE的話,從業人員應當具備的三大素質:

熟練掌握相關CAE軟件的操作
理解CAE軟件背后的運作原理
了解現象背后的數學物理原理

但其實具備了這些素質,并不意味著就一定能夠將CAE用好。CAE的使用除了對從業人員有要求外,對于使用環境同樣有要求。

1 硬件環境

硬件環境是CAE成功運作的基礎。這里的硬件環境主要包括計算機硬件以及實驗測試硬件。

1.1 計算機硬件

顯而易見,CAE軟件必須運行在計算硬件上。CAE進行的是密集的數學計算,對計算機硬件要求非常高。經常有網友在群里問“做CAE計算需要什么樣的計算機配置?”其實我想說的是沒有什么最優的計算機配置,買最貴的就是了。

隨著計算機性能的高速發展,能用于CAE的硬件類型越來越多,如筆記本電腦、PC機、工作站服務器、小型機以及大型機,到處都可以發現CAE的身影。很多人分不清楚這些硬件的區別。

筆記本電腦。這個一般人都能夠分得清,類似下圖這種。筆記本電腦其功能定位為便攜性,為了達到便攜的目的,通常犧牲CPU的工作性能(省電可提高續航能力),同時降低硬盤的轉速(導致讀寫速度降低。當然現在不少筆記本采用固態硬盤,則可以避免此問題)。筆記本電腦只適合于解決非常簡單的工程問題,計算量小,計算時間短。
PC機。其實就是我們俗稱的“臺式機”。PC機功能定位為日常辦公及生活娛樂。其價格較低,計算性能不強。適合于簡單工程問題。
工作站。工作站是一種高檔的微型計算機,通常配有高分辨率的大屏幕顯示器及容量很大的內存儲器和外部存儲器,并且具有較強的信息處理功能和高性能的圖形、圖像處理功能以及聯網功能。工作站的特長在于高性能計算。工作站具有較強的計算能力,適合于中等復雜程度的工程問題。
服務器。服務器主要用于后臺服務、網站后臺、郵件服務器、文件服務器、CRM、OA、ERP等等自動運行的系統,不需要頻繁地人為操作,高性能,高穩定性的主機。總體性能偏向數據處理,更強調穩定,一般不配獨立顯卡,顯示器也可有可無的。在很多時候,也有用工作站兼做服務器。服務器與工作站類似,適合于中等復雜程度的工程問題。
小型機。小型機與服務器具有相同的用途,具有高穩定性和高性能。但是小型機一般是基于RISC(精簡指令集)架構的,而我們常說的服務器是基于CISC(復雜指令集)架構的PC服務器。小型機一般使用專用的操作系統,更強調安全性、穩定性和可靠性。當然隨著計算機技術的發展,使用x86架構的小型機也逐漸開始出現。小型機與服務器、工作站類似,適合于中等復雜程度的工程問題。
大型機。大型機的功能、價格以及性能上都在小型機和微型計算機之上,是一種用于大規模計算的計算機系統,由于早期產品體積龐大因而被稱為大型機。大型機通常采用集中式體系架構,這種架構的優勢之一是其出色的I/O處理能力,因而最適合處理大規模事務數據。大型機不單純用來進行傳統的海量數據處理和財務事務處理。在一些場合,它可作為企業的中心架構,用來提高安全性,可用性和可管理性。大型機也可用來安裝多個操作系統,可以運行所有的主流的軟件包。大型機通常用于政府、銀行、交通、保險公司和大型制造企業。特點是處理數據能力強大、穩定性和安全性又非常高。
超級計算機。超級計算機是計算機中功能最強、運算速度最快、存儲容量最大的一類計算機,多用于國家高科技領域和尖端技術研究,是一個國家科研實力的體現,它對國家安全,經濟和社會發展具有舉足輕重的意義。是國家科技發展水平和綜合國力的重要標志。超級計算機特別適合于進行CAE運算,特別是大型復雜工程的CAE計算。

總的來說,計算機硬件要求更快的CPU,更大容量的內存,讀寫更快的硬盤。甚至現在很多CAE軟件都支持GPU加速,采用高性能圖形加速卡也能極大的提高CAE的運行效率。

1.3 測試硬件

有計算機硬件還不足以做出好的CAE結果,還需要有完善的實驗測試條件。有人會說“都有實驗測試條件了,我還要CAE干甚?”

在使用CAE的過程中,離不開實驗測試。

對于絕大多數CAE工程師來說,CAE軟件是一個黑箱子。我們提供軟件所需要的輸入,然后軟件輸出一個結果給我們。在這個過程中,人們并不清楚結果與輸入之間的關系是怎樣的,或者說對于結果是如何產生的并不十分了解。這是一個非常大的隱患。

在CAE使用過程中,有三個方面的內容需要通過實驗測試來獲取及控制:

邊界條件及初始條件的獲取。這是軟件黑箱子的輸入,其直接影響輸出結果的正確與否。這些條件怎么得到?只能靠儀器測量。
軟件模型的校準。這實際上涉及到了軟件黑箱子內部的工作機理問題。由于其內部運作細節不可知,因此只能通過實驗的方式進行標定。
計算結果的校核。由于對黑箱子內部工作原理不清楚,因此計算完了之后,對于所輸出的計算結果是否有效,誰也不敢說,唯有通過實驗獲取了。

再來說前面的問題“有實驗條件,還需要CAE么?”當然是需要的。CAE能節省實驗開支,能做現實無法做的實驗,不過前提是在大量實驗數據的基礎上。
做實驗的目的是為了不做實驗。我們通過大量的現實實驗,積累大量的測試數據,當把前面提到的CAE所需的三個環節都搞清楚了之后,就可以逐漸擺脫現場實驗,采用CAE替代實驗,從而節省大量的成本。

2 軟件環境

說完了硬件環節,再來說軟件環境。這里不討論CAE所涉及的具體軟件,只簡單的談一談要做好CAE所需的軟件環境。

協作環境。由于現實世界的復雜性,導致單純的考慮某一個物理模型存在較大的誤差,現如今CAE所考慮的工程問題背后通常包含著多物理場相互耦合的情況。因此軟件環境應當能夠很好的支持團隊協作。包括從CAD模型到CAE軟件之間的幾何兼容性、各CAE軟件之間的數據接口等等。
軟件版本兼容性。軟件常常會更新,在軟件更新的時候必須要考慮與其他軟件或接口之間的兼容性問題。
數據知識化。想要利用好CAE,將各類數據形成知識非常重要。否則一堆死數據,不同的人解讀出不同的結果來,沒有任何意義。

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