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CAE軟件研發的一些思考

2016-09-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

區別于其他行業的軟件開發,CAE軟件的研發有其特殊性,這里的CAE軟件主要指使用有限元/有限差分/有限體積等數值計算方法進行仿真的軟件,其中包含了前處理器,后處理器,求解器以及相關模塊,求解領域包括但不僅限于靜力,動力,流體,電磁,聲,熱,光等
中國在數值計算方法很早就有比較突出的成果,以馮康為代表的老一代數學家在有限元理論方面的研究處于世界領先地位,在工程應用方面也取得了相當的成功。只可惜由于種種客觀原因的限制(主要是計算機在中國發展的限制以及投入不足),中國的CAE軟件沒能取得長足的發展。也導致了目前中國CAE軟件市場被國外軟件一統天下的局面。

長期從事CAE軟件的管理研發工作,本文想從幾個方面探討一下CAE軟件研發的一些相關話題。
1. 中國有無研發大型通用CAE軟件的必要性。
2. 中國自主研發CAE軟件的出路是什么
3. CAE軟件架構設計
4. CAE軟件研發管理
5. CAE軟件的核心技術和風險

1. 中國有無研發大型通用CAE軟件的必要性。
這是個老生常談的話題,每逢開各種學術會議,最后總會得出結論:發展國產通用CAE軟件是當務之急云云,開完會后不了了之。殊不知通用CAE軟件研發涉及到的范圍相當廣,需要從技術,資金投入,開發周期,人才儲備,市場應用,項目支撐等各個方面做好調研。開發一款優秀的通用CAE軟件絕不是買個求解器,做一個前處理器,算兩個case就能成氣候的。Ansys,Nastran,Abaqus 發展了幾十年,在研發方面投入巨資,不僅自己做開發,還收購了相當多優秀的CAE公司,將產品應用到無數的實際工程中,一步一個腳印才逐步發展到現在的水平的。
個人以為開發國產通用CAE軟件雖然是個美好的愿望,在中國目前的環境下,不切實際(國家連OS研發都不愿意投入,CAE更不用講了)。退一萬步講,即使能開發出來一個像樣的產品出來,結局也能想到:基本上是被國外的產品直接拍死,只能做做科研或者給高校使用。

2. 中國自主研發CAE軟件的出路是什么
既然沒必要開發大型通用CAE軟件,那國產CAE軟件研發的出路在哪里呢?
既然通用的道路走不通,那就走專業化的道路。使用CAE軟件的目的不外乎兩點:優化和驗證設計,縮短產品上市周期。在這個過程中,用戶最耗時的部分是 幾何模型和有限元模型的建立以及模型的優化。如果能針對這個部分做一些專業定制的開發,將會給客戶帶來很大的價值。試想,對一艘船進行仿真,建立整船的幾何到建立有限元模型需要1個月。分析的工況有20個,這些要全部手工建立,仿真結束后要自己生成報告。如果能開發出一款專業的船舶建模軟件,用戶通過輸入參數就能很快建立幾何模型,而且可以從模板庫直接取船舶的部件,考慮到船舶分析的一些特殊情況,比如大量使用shell和梁,桿單元,能夠幫助用戶快速建立好有限元模型,同時把常用的工況也做成模板,求解可以調用公認標準求解器,也可以調用針對船舶開發的專業求解器,仿真結束后把結果輸出為用戶想要的報告格式??赡?天就能完成整個仿真流程。這樣可以大大減少用戶的工作量。尤其對于精密制造業比如飛機,發動機,芯片等,效率就是王道。

3. CAE軟件架構設計
略,以后通過UML圖的  狀態圖  用例圖 活動圖等來描述一般CAE軟件的架構和設計

4. CAE軟件研發管理
CAE軟件各個功能相對獨立,因此很容易模塊化,但是集成后各個模塊之間耦合度很高。
曾經調試過一個case,仿真出現錯誤,從求解器開始debug,經過Mesh,FEM模型,CAD模型,最后找到問題的原因是CAD單位問題,也有過從求解器debug開始到CAD再又回來,最終問題定位到Mesh上。
人員配置:
不同于常規軟件研發,CAE軟件研發對研發人員背景有較高要求,需要理解CAE里很多概念。
對于一款常規的專業CAE軟件,參考開發人員配置:
1> 系統架構師(1名)
系架構師主要負責 與應用工程師和客戶工程師溝通,進行需求分析,技術選型,概要設計,模塊設計,數據結構設計,保證產品按預計進度開發,以及軟件仿真流程正確運行。這就要求系統架構師不僅需要有豐富的研發,架構設計經驗,而且要對CAE行業有較深刻的理解。
2>前處理開發(2-3名)
前處理開發主要負責 將CAD模型轉化為有限元模型,這個過程中主要是對CAD模型(按照各個行業需求,模板等,快速生成CAD模型)和有限元模型(有限元單元自動設置,網格密度優化,邊界自動識別設置等)進行編輯,以及可視化。這塊的操作需要 應用工程師的大力協助,因為這塊是最需要專業知識的地方。也是對圖形學要求最多的地方。
3>CAD開發(1名,可選)
CAD通常需要一個CAD內核,主要是建立和編輯幾何模型(三維),可以用開源OCC,也可以用商業ACIS/Parasolid,也可以自主開發,看實際需求。
4>GUI/常用功能(若干)
主要是進行各種界面,以及常用功能進行設計和實現,比如工程文件設計,打開,保存。這塊實際上和前處理會有很多重疊的地方。
5> 求解器開發人員(1-2名 ,可選)
不多說,核心開發。一名開發求解器,一名輔助做benchmark,也需要應用工程師的支持
畫外音:如果有一個厲害的求解器就夠了,如LS-Dyna和powerflow,各種前后處理器會圍著團團轉
6>后處理開發(1名,可選)
輔助:
1>應用工程師
2>客戶工程師
應用工程師主要負責和系統架構師,客戶工程師溝通,講實際工程需求和客戶需求轉化為實際可開發需求??梢赃@樣說:應用工程師是整個團隊的軍師。

敏捷開發可以應用到CAE的研發管理中,早期做原型時,可以一個月作為一個Sprint,半年左右完成原型,以后逐步縮減Sprint時間,轉為迭代開發。敏捷開發的思路比較清晰,做法也很明確,可以根據實際需要進行運用。

5. CAE軟件的核心技術和風險
目前自主研發CAE軟件并沒有太多的技術障礙,通常認為的技術障礙,比如CAD內核,網格,甚至求解器都可以購買商業庫。個人認為CAE軟件的核心技術在于:給用戶提供一整套問題的解決方案,幫助用戶快速解決實際工程問題,尤其在通用CAE軟件解決不了或者解決起來很費勁的的領域,軟件在這個過程甚至可以只起輔助作用。當然從長遠來,所有的基礎開發都不可避免。
在國外尤其是美國,CAE軟件研發的生態環境比較完善,高校,各種科研機構,公司,技術人員都能從CAE研發中獲得穩定長期的利益,包括開源產品,這也是為什么CAE軟件產品能在國外蓬勃發展。
開發專業CAE軟件的目的是提高分析效率,但是如果提高的效率的程度不能中和產品研發的成本,就會存在商業上的風險,這是做需求分析時必須要考慮到的。


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