高校多学科／多物理场仿真中心建设探讨

宋荣昌，兰 山，隋 丽

（1.北京理工大学机电学院，北京 100081；2.北京理工大学实验室与设备管理处，北京 100081）

高校多学科／多物理场仿真中心建设探讨

宋荣昌1，兰 山2，隋 丽1

（1.北京理工大学机电学院，北京 100081；2.北京理工大学实验室与设备管理处，北京 100081）

从高校在科学研究中的地位和多学科发展的客观需求出发，分析了多学科／多物理场仿真的4个特点，提出高校多学科设计仿真及优化中心的4项建设原则，并依此提出3种典型的硬件建设的架构方法以及各自优缺点分析，并提供目前通用的多学科／多物理场的软件建设内容。

多学科／多物理场；仿真中心；实验室建设

随着科学技术的发展，各行各业——大到航天工程、船舶工程，小到微／纳机电系统——都涉及到多学科（multidisciplinary）／多物理场（multi-physics field）问题。这些问题带来更为复杂的建模和计算工作，因此需要针对多学科／多物理场的特点进行仿真中心或实验室的建设。这些仿真中心需要完成多学科／多物理场的设计、仿真、优化和仿真数据管理，其中仿真工作除包括多个学科或物理场的计算，更重要的是各物理场之间的多学科／物理场耦合计算分析。因此，多学科／多物理场仿真中心的建设也不同于一般仿真实验室的建设。本文将探讨如何在高校建设多学科／多物理场仿真中心［1-2］。

1 高校多学科／多物理场仿真中心的需求分析

1.1 高校在科学研究中的地位

根据我国的创新发展规划，高校应站在科学技术发展的前沿，以理论创新为重点，这是与企业的创新不同所在。因此，高校应在科技前沿探索和基础研究方面承担重要的使命，而高校的实验室建设正是为理论创新提供高水平和高效的平台。

高校实验室主要包括以本科教学为主的实验室和以科学研究为主的实验室，本文中的仿真中心属于后者。仿真中心在主要满足科研一线教师的科研需求外，还承担硕士生、博士生的部分教学科研工作。此外，一些高水平、高标准的仿真中心还为国内相关行业提供计算和咨询服务工作。

1.2 多学科客观发展的需求

未来科学研究的一个主要趋势是向多学科／多物理场发展，多种技术领域（如微／纳机电系统、测量测试技术、天气预测技术、电子产品）的研究和很多大型工业系统（如航天器、船舶与海洋工程）无一不涉及到多种学科的综合研究与利用［3］。

复杂系统开发是多学科交叉和协作的系统工程，涉及到的学科包括力学、机械、热、电、磁和流体等，而且各物理现象互相关联，很难用单一的物理原理来描述。这就给系统设计和系统工作机理的研究带来了困难，研究人员不仅要懂得相关领域的基础知识，而且要熟悉各物理场的互相作用；而如果没有相应的技术手段和研究平台，会使研究难上加难［4-5］。

在复杂系统的多学科协作开发过程中，多个学科的设计人员使用不同专业的设计与仿真工具，在不同的环境下工作，既有分工又有合作。为了使设计和仿真能够协调进行，需要消除设计过程中的信息孤岛，保证设计过程中多学科设计和仿真信息的交换与共享，提高不同领域设计工具之间的互操作性。随着分布式计算和仿真技术的发展，已有条件建立多学科的仿真和优化计算中心来完成大量的科研工作［6］。

2 多学科／多物理场仿真工作特点分析

利用多学科／多物理场研究的问题种类、计算规模、计算流程和所用的求解方法与传统的单物理场的研究和分析大不相同。多物理场有以下特点［7-8］：

（1）计算问题复杂。由于涉及到物理场，问题经常转化为机-电-热、热-流、电-磁-热等过程的求解，物理场之间的相互作用也更为复杂；

（2）计算规模较大。对于同样的计算问题，若考虑到多物理场的相互作用，就要涉及到多个域的建模，在满足一定精度的前提下，网格和细节的处理都带来网格自由度和计算规模的成倍增加；

（3）计算流程复杂。图1为多学科／多物理场仿真工作流程，该流程除进行单独的物理场仿真外，还需要进行多物理场的耦合计算；

图1 多学科／多物理场仿真工作流程图

（4）求解方法复杂。在仿真中要考虑稳态求解和瞬态求解的优选，在瞬态求解非线性问题时还要考虑显式求解和隐式求解，多物理场的迭代计算有间接耦合法和直接耦合法，多求解方法会使仿真变得更复杂。

3 多学科／多物理场仿真中心建设原则

仿真中心需要遵循以下基本建设原则［9-12］。

（1）高效原则。随着各种系统越来越庞大，结构也越来越复杂，加上多学科／多物理场分析计算，对仿真硬件并行计算能力的要求也越来越高。一般在平台设计时，要考虑整个平台容量问题、速度问题和显示能力问题。容量问题是指计算机内存可容纳的计算对象的最大网格数，尽管使用高超的网格划分技术可以降低不必要的网格数量，但在计算能力和前瞻性设计上，仍然推荐按照最大网格数的2～3倍进行设计。速度问题主要指计算机的主频速度以及影响速度的CPU缓存，而主频速度直接影响设备的最终价格。因此，在进行多学科／多物理场仿真中心建设时，需要兼顾性能需求和项目预算。

（2）多终端原则。由于涉及到多个学科或物理场的设计、建模和仿真处理，而大量前期的建模、网格划分和模型预处理等准备工作需要借助终端来完成，后期的仿真结果显示、查看和处理也需要使用终端，因此，整个仿真中心需要有多终端作为支撑。

（3）平台兼顾原则。由于各种物理场分析软件的平台可能基于不同的系统，部分早期的软件基于Unix系统，而现有的一些软件则基于Windows系统，还有一些基于Linux系统，当然也有部分软件兼容各种系统，所以多学科／多物理场仿真中心的建设和采购必须兼顾后期的运行管理问题。鉴于目前办公软件和专业软件主要基于Windows系统，因此除特殊需求外，推荐采用Windows系统。考虑到未来的发展，应配置大容量内存，如32G、64G乃至更大，而32位的Windows系统不支持到4G内存，因此，Windows最好采用64位系统。

（4）网络化并行计算。对于同样的计算题目，单个学科／物理场的仿真工作量远小于多学科／物理场的仿真工作量，因此，在仿真中可以借助软件提供的并行计算功能，利用多台计算机同时计算，这就需要有高效的网络支持。此外，网络还需要支持多终端的灵活组合，以形成针对各种问题的计算域或群，从而进行多个软件之间的多物理场交互仿真。

4 仿真中心的建设架构

4.1 仿真中心硬件建设

硬件建设主要包括计算机建设和网络建设。根据上节的建设思路，提出3种建设方案。

4.1.1 工作站＋高速局域网的建设方案

在该方案中，每个工作站都是建模单元和计算单元，当工作站之间通过高速局域网连接起来后，还可以进行并行计算。服务器不作为计算单元，而是管理中心，主要担任局域网病毒查杀、软件授权管理、工作站使用控制、重要资料和数据备份等工作。交换机是工作站间的数据传输枢纽，在并行计算时，数据传输量会较大，因此，交换机和传输线速率最好为G级。本方案如图2所示，

图2 工作站＋高速局域网的方案

4.1.2 刀片服务器方案

本方案是目前应用较广、前景较好的计算中心解决方案。刀片服务器（见图3）是一种高可用、高密度、低成本的服务器平台，是专门为特殊应用行业和高密度计算机环境设计的，其主要结构为一大型主体机箱，内部可插上许多刀片。刀片服务器的每一块刀片实际上就是一块系统母板，类似于一个独立的服务器，它们可以通过本地硬盘启动自己的操作系统。

图3 刀片服务器外观

管理员可以使用系统软件将这些系统母板集合成一个服务器集群。在集群模式下，所有的母板可以连接起来提供高速的网络环境，并同时共享资源，为不同的用户群服务。在集群中插入新的刀片，就可以提高整体性能。由于每块刀片都是热插拔的，所以可以很容易地进行系统替换，并且将维护时间减少到最小。

但该方案也有缺点。刀片服务器的显示能力较差，利用刀片服务器很难进行建模、处理网格和结果显示等对显示能力要求高的工作，需要另外购置终端进行上述工作。该方案中的工作方法一般是借助其他终端完成建模和网格划分工作后，利用刀片服务器进行计算，再在其他终端上显示仿真计算结果。

4.1.3 工作站＋刀片服务器的集成方案

工作站加刀片服务器的集成方案方案（见图4）融合了工作站加高速局域网方案和刀片服务器方案的优点，避开了它们的缺点。

图4 工作站＋刀片服务器的集成方案

在该方案中，使用刀片服务器作为计算中心，使用终端进行建模、仿真结果的显示与处理，终端和刀片服务器通过网络连接。刀片和工作站数量可视工作需求进行配置。

4.2 软件建设

由于不同行业所用到的软件不同，所以没有固定的建设模式可循。根据大多数行业可能用到的通用软件，按学科归类如下：

（1）力学软件：刚体动力学仿真软件MSC.Adams和DADS，弹塑性力学仿真软件MSC.Nastran、Ansys、MSC.Marc和Abaqus等，瞬态动力学仿真软件LS-Dyna、Autodyn和MSC.Dytran；

（2）热分析软件：FloTHERM；

（3）电磁学软件：Ansoft和CTS；

（4）流体分析软件：CFX、Fastran和Fluent；

（5）电路设计和分析软件：Mentor；

（6）微机电设计及仿真软件：Coventware，Intellisuit；

（7）优化分析软件：iSight；

（8）可以进行多物理场耦合的分析软件：Ansys，Comsol，MD Nastran。

由于各个行业都有很多专业软件，在此不再一一列出。

5 结束语

根据高校科研的需求和多学科／多物理场仿真特点提出的3种不同的建设方法各有优缺点，可供不同场合采用。其中第一种和第二种架构方法已经在北京理工大学得到应用，目前运行效果良好。

（

）

［1］邸彦强，李伯虎，柴旭东，等.多学科虚拟样机协同建模与仿真平台及其关键技术研究［J］.计算机集成制造系统，2005，11（7）：901-908.

［2］熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术［J］.系统仿真学报，2001，13（1）：114-117.

［3］赵敏，崔维成.多学科设计优化研究应用现状综述［J］.中国造船，2007，48（3）：63-72.

［4］陈琪锋.飞行器分布式协同进化多学科优化方法研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2003.

［5］毕鲁雁，焦宗夏，范圣韬.复杂机电系统多学科设计与仿真集成框架［J］.系统仿真学报，2008，20（12）：3265-3269.

［6］杨流辉.虚拟样机协同开发平台技术的研究与应用［D］.北京：清华大学，2002.

［7］张和明，曹军海，范文慧，等.虚拟样机多学科协同设计与仿真平台实现技术［J］.计算机集成制造系统，2003，9（12）：1105-1111.

［8］曾锐，平丽浩，翁力群.电子产品多学科协同仿真［J］.中国制造业信息化，2008（10）：60-61.

［9］孙长华，鞠胜芝，吕长俊，等.科研实验室的建设与管理模式探讨［J］.邯郸医学高等专科学校学报，2001，14（3）：236-237.

［10］陈苏雅.高校科研实验室建设与管理初探［J］.科技创新导报，2009（12）：134.

［11］张玉宪.院校仿真实验室建设初探［J］.黑龙江科技信息，2009（14）：28-29.

［12］王莉丽.数字仿真实验室的管理与维护初探［J］.实验室科学，2010（2）：129-132.

Discussion on construction of multidisciplinary／multi-physics field simulation center

Song Rongchang1，Lan Shan2，Sui Li1
（1.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Experiment and Equipment Department，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Based on the status of universities in scientific research and the development demands of multidisciplines，this paper analyzes four characteristics of multidisciplinary／multi-physics field simulation，proposes four construction principles of the multidisciplinary design simulation and optimization center in the universities，and puts forward three typical architectural approaches for hardware construction，as well as their respective advantages and disadvantages.The current general multidisciplinary／multi-physics field software construction content also is provided.

multi-disciplinary／multi-physics field；simulation center；laboratoryconstruction

G482

A

1002-4956（2013）03-0187-03

2012-10-23

宋荣昌（1978—），男，山西定襄，硕士，实验师，主要从事机电系统设计与仿真的教学与研究及实验室管理.

E-mail：bit＿src＠bit.edu.cn

book=192,ebook=124