CAE軟件研發(fā)的一些思考

2016-09-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

區(qū)別于其他行業(yè)的軟件開發(fā),CAE軟件的研發(fā)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(shù)值計算方法進(jìn)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(guān)模塊,求解領(lǐng)域包括但不僅限于靜力,動力,流體,電磁,聲,熱,光等

中國在數(shù)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(shù)學(xué)家在有限元理論方面的研究處于世界領(lǐng)先地位,在工程應(yīng)用方面也取得了相當(dāng)?shù)某晒?。只可惜由于種種客觀原因的限制(主要是計算機在中國發(fā)展的限制以及投入不足),中國的CAE軟件沒能取得長足的發(fā)展。也導(dǎo)致了目前中國CAE軟件市場被國外軟件一統(tǒng)天下的局面。

長期從事CAE軟件的管理研發(fā)工作,本文想從幾個方面探討一下CAE軟件研發(fā)的一些相關(guān)話題。

1. 中國有無研發(fā)大型通用CAE軟件的必要性。

2. 中國自主研發(fā)CAE軟件的出路是什么

3. CAE軟件架構(gòu)設(shè)計

4. CAE軟件研發(fā)管理

5. CAE軟件的核心技術(shù)和風(fēng)險

1. 中國有無研發(fā)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(xué)術(shù)會議,最后總會得出結(jié)論:發(fā)展國產(chǎn)通用CAE軟件是當(dāng)務(wù)之急云云,開完會后不了了之。殊不知通用CAE軟件研發(fā)涉及到的范圍相當(dāng)廣,需要從技術(shù),資金投入,開發(fā)周期,人才儲備,市場應(yīng)用,項目支撐等各個方面做好調(diào)研。開發(fā)一款優(yōu)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(fā)展了幾十年,在研發(fā)方面投入巨資,不僅自己做開發(fā),還收購了相當(dāng)多優(yōu)秀的CAE公司,將產(chǎn)品應(yīng)用到無數(shù)的實際工程中,一步一個腳印才逐步發(fā)展到現(xiàn)在的水平的。

個人以為開發(fā)國產(chǎn)通用CAE軟件雖然是個美好的愿望,在中國目前的環(huán)境下,不切實際(國家連OS研發(fā)都不愿意投入,CAE更不用講了)。退一萬步講,即使能開發(fā)出來一個像樣的產(chǎn)品出來,結(jié)局也能想到:基本上是被國外的產(chǎn)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(fā)CAE軟件的出路是什么

既然沒必要開發(fā)大型通用CAE軟件,那國產(chǎn)CAE軟件研發(fā)的出路在哪里呢?

既然通用的道路走不通,那就走專業(yè)化的道路。使用CAE軟件的目的不外乎兩點:優(yōu)化和驗證設(shè)計,縮短產(chǎn)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(yōu)化。如果能針對這個部分做一些專業(yè)定制的開發(fā),將會給客戶帶來很大的價值。試想,對一艘船進(jìn)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(jié)束后要自己生成報告。如果能開發(fā)出一款專業(yè)的船舶建模軟件,用戶通過輸入?yún)?shù)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(diào)用公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)求解器,也可以調(diào)用針對船舶開發(fā)的專業(yè)求解器,仿真結(jié)束后把結(jié)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(yè)比如飛機,發(fā)動機,芯片等,效率就是王道。

3. CAE軟件架構(gòu)設(shè)計

略,以后通過UML圖的狀態(tài)圖用例圖活動圖等來描述一般CAE軟件的架構(gòu)和設(shè)計

4. CAE軟件研發(fā)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(jīng)調(diào)試過一個case,仿真出現(xiàn)錯誤,從求解器開始debug,經(jīng)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(guī)軟件研發(fā),CAE軟件研發(fā)對研發(fā)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(guī)的專業(yè)CAE軟件,參考開發(fā)人員配置:

1> 系統(tǒng)架構(gòu)師(1名)

系架構(gòu)師主要負(fù)責(zé) 與應(yīng)用工程師和客戶工程師溝通,進(jìn)行需求分析,技術(shù)選型,概要設(shè)計,模塊設(shè)計,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,保證產(chǎn)品按預(yù)計進(jìn)度開發(fā),以及軟件仿真流程正確運行。這就要求系統(tǒng)架構(gòu)師不僅需要有豐富的研發(fā),架構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗,而且要對CAE行業(yè)有較深刻的理解。

2>前處理開發(fā)(2-3名)

前處理開發(fā)主要負(fù)責(zé) 將CAD模型轉(zhuǎn)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(yè)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(shè)置,網(wǎng)格密度優(yōu)化,邊界自動識別設(shè)置等)進(jìn)行編輯,以及可視化。這塊的操作需要應(yīng)用工程師的大力協(xié)助,因為這塊是最需要專業(yè)知識的地方。也是對圖形學(xué)要求最多的地方。

3>CAD開發(fā)(1名,可選)

CAD通常需要一個CAD內(nèi)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(yè)ACIS/Parasolid,也可以自主開發(fā),看實際需求。

4>GUI/常用功能(若干)

主要是進(jìn)行各種界面,以及常用功能進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn),比如工程文件設(shè)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(fā)人員(1-2名 ,可選)

不多說,核心開發(fā)。一名開發(fā)求解器,一名輔助做benchmark,也需要應(yīng)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(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)

6>后處理開發(fā)(1名,可選)

輔助:

1>應(yīng)用工程師

2>客戶工程師

應(yīng)用工程師主要負(fù)責(zé)和系統(tǒng)架構(gòu)師,客戶工程師溝通,講實際工程需求和客戶需求轉(zhuǎn)化為實際可開發(fā)需求?？梢赃@樣說:應(yīng)用工程師是整個團(tuán)隊的軍師。

敏捷開發(fā)可以應(yīng)用到CAE的研發(fā)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(zhuǎn)為迭代開發(fā)。敏捷開發(fā)的思路比較清晰,做法也很明確,可以根據(jù)實際需要進(jìn)行運用。

5. CAE軟件的核心技術(shù)和風(fēng)險

目前自主研發(fā)CAE軟件并沒有太多的技術(shù)障礙,通常認(rèn)為的技術(shù)障礙,比如CAD內(nèi)核,網(wǎng)格,甚至求解器都可以購買商業(yè)庫。個人認(rèn)為CAE軟件的核心技術(shù)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(lǐng)域,軟件在這個過程甚至可以只起輔助作用。當(dāng)然從長遠(yuǎn)來,所有的基礎(chǔ)開發(fā)都不可避免。

在國外尤其是美國,CAE軟件研發(fā)的生態(tài)環(huán)境比較完善,高校,各種科研機構(gòu),公司,技術(shù)人員都能從CAE研發(fā)中獲得穩(wěn)定長期的利益,包括開源產(chǎn)品,這也是為什么CAE軟件產(chǎn)品能在國外蓬勃發(fā)展。

開發(fā)專業(yè)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(chǎn)品研發(fā)的成本,就會存在商業(yè)上的風(fēng)險,這是做需求分析時必須要考慮到的。

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