计算机辅助工程应用及展望

王军

摘要：计算机辅助工程是用计算机辅助求解复杂工程和力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。目前越来越多的企业开始引进CAE计算机辅助工程软件并组建专业团队，逐步深入开展以计算机辅助工程软件为重要工具的研发工作。本文分析了计算机辅助工程的工作原理，介绍了计算机辅助工程的应用现状，论述了计算机辅助工程的发展方向，以供参考。

关键词：计算机 辅助工程 应用 展望

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0239-01

1 计算机辅助工程的工作原理分析

通常情况下，计算机辅助工程分析主要分为前处理、计算分析和后处理这3个主要的阶段。其中在前处理主要是建立问题的几何模型、进行网格划分、建立用于计算分析的数值模型、确定模型的边界条件和初始条件等；计算分析是对所建立的数值模型进行求解，经常需要求解大型的线性方程组，这个过程是CAE分析中计算量最大、对硬件性能要求最高的部分；后处理则是以图形化的方式对所得的计算结果进行检查和处理。

2 计算机辅助工程的应用现状分析

计算机辅助工程从上个世纪60年代初在工程上开始应用到今天，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续介质力学各类问题的一种重要手段。目前大多数企业仍然处于利用云计算架构帮助企业降低企业计算资源的建设、运维、升级的成本的阶段，现在我们再来分析一下计算机辅助工程行业的资源生态：围绕仿真应用者，我们看到有软件供应商、信息中心、硬件供应商、公共超算、计算机辅助工程云许可证、计算机辅助工程咨询服务商、研发协同平台、数据管理平台、研发知识系统等等重要参与角色。

但是中国企业在规模化应用计算机辅助工程软件的过程中，还存在着软硬件资源利用无序且低效、资源调度与项目匹配脱节以及数据流程安全保障手段弱的问题。目前现阶段，部分企业在购置了若干高性能的工作站、昂贵的计算机辅助工程软件之后，计算机辅助工程计算任务基本靠研究人员个体之间协调，难以建立合理机制在项目团队之间进行共享，无法突破大规模计算需求经常会遇到硬件资源的瓶颈，应用效率极为低下，同时因为硬件设备固有的淘汰周期而降低了硬件资源的投资回报率。而且目前在众多企业中，计算机辅助工程相关的软硬件资源基本属于静态分配，企业难以获得实时数据从而分析软件利用率、硬件利用率与项目密度之间的关系曲线，大多无法根据项目重要性、紧急程度进行动态、实时调配，从而无法实时的将软硬件资源转化为高效率的研发生产力，无法为后续计算机辅助工程资源配置提供数据支持与策略指导。关于计算机辅助工程工作的相关数据及流程的规范与安全已经成为众多企业的IT工作重点，可是分散型的计算机辅助工程计算资源成为后续工作的一大难点。如何利用自动化的IT手段实时监管计算机辅助工程数据的生产过程，从而有效的监管并规范计算机辅助工程工作流程，这将是计算机辅助工程工作顺利集成进入研发流程的必须逾越的一道障碍。

上述问题能否得到有效解决，将直接影响计算机辅助工程研发工作是否能够真正主导产品研发创新的进程。

3 计算机辅助工程的发展方向

3.1 资源生态化发展

首先我们看到生态参与者正在释放出很多重要信号，计算机辅助工程软件原厂商正在尝试推出Cloud License，用户使用计算机辅助工程软件将可以按需付费，同时也和公共云Amazon、Azure等合作推出许可证+硬件+软件的一体化在线服务；国内的计算机辅助工程软件代理商也正在由单纯的工具提供者逐步转型为知识提供者，或者转变为流程、数据管理软件商；国内的计算机辅助工程公共服务平台也演化为两种类型，一类是以上海超级计算中心为代表，积极实践计算机辅助工程混合云计算服务模式，一类以北京市计算中心为代表，创新开拓工业云应用商店。

3.2 性能高效化

在1980年以后，在CAE领域逐渐出现了高性能平台的构建，其能够进行许多关键计算。分布式内存的Cluster系统是近年来迅速普及的一种高性能服务器体系。集群是一组独立的计算机（节点）的集合体，节点间通过高性能的互连网络连接，可以协同工作并表现为一个单一的、集中的计算资源（单一系统映象）供并行计算任务使用。构建这类服务器的成本比较低，具有良好的性价比和可扩放性。集群作为当前高性能计算机的主流架构，在Top 500中占据了75%以上的份额。因此，当前主流的计算机辅助工程软件都提供了对集群架构和MPI的支持。计算机辅助工程在制造企业中承担着关键的业务，高性能计算平台直接影响计算机辅助工程的运行性能表现、整体成本和系统维护等方面问题。

除此之外计算机辅助工程还需要向着基于高性能计算调度软件工具进行二次开发及功能扩展，降低HPC系统运维复杂度；CAE前后处理、求解服务全集成，缓解超算用户工具碎片化困境，减少文件传输耗时，提升用户体验； 提供计算资源统一调用接口，无缝接入工业云服务平台，进而发展多学科、跨行业的专家级解决方案；探索公共CAE平台的新型服务及运营模式等方向发展。

4 结语

企业要与计算中心研发团队密切配合，攻关多个技术难点以及系统屏障，共同构建国内工业计算应用商店，通过技术合作，在思维认识上实现质的飞跃，要深切认识到计算资源调度系统仅是计算资源服务平台的一部分，计算资源服务的更高阶形式将是知识集成服务，将来计算机辅助工程需要更多科研人员参与尽量，促进计算机辅助工程计算服务的发展与转型。

参考文献

[1]姚继锋.什么成就了超算中心[J].中国教育网络，2010年06期.

[2]周琪锋.开放实验室创新模式的探索[J].实验技术与管理，2008年12期.