CAE軟件研發(fā)的一些思考

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

區(qū)別于其他行業(yè)的軟件開(kāi)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(jì)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(dòng)力,流體,電磁,聲,熱,光等

中國(guó)在數(shù)值計(jì)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(jì)算機(jī)在中國(guó)發(fā)展的限制以及投入不足),中國(guó)的CAE軟件沒(méi)能取得長(zhǎng)足的發(fā)展。也導(dǎo)致了目前中國(guó)CAE軟件市場(chǎng)被國(guó)外軟件一統(tǒng)天下的局面。

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

1. 中國(guó)有無(wú)研發(fā)大型通用CAE軟件的必要性。

2. 中國(guó)自主研發(fā)CAE軟件的出路是什么

3. CAE軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

4. CAE軟件研發(fā)管理

5. CAE軟件的核心技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)

1. 中國(guó)有無(wú)研發(fā)大型通用CAE軟件的必要性。

這是個(gè)老生常談的話題,每逢開(kāi)各種學(xué)術(shù)會(huì)議,最后總會(huì)得出結(jié)論:發(fā)展國(guó)產(chǎn)通用CAE軟件是當(dāng)務(wù)之急云云,開(kāi)完會(huì)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(kāi)發(fā)周期,人才儲(chǔ)備,市場(chǎng)應(yīng)用,項(xiàng)目支撐等各個(gè)方面做好調(diào)研。開(kāi)發(fā)一款優(yōu)秀的通用CAE軟件絕不是買個(gè)求解器,做一個(gè)前處理器,算兩個(gè)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(kāi)發(fā),還收購(gòu)了相當(dāng)多優(yōu)秀的CAE公司,將產(chǎn)品應(yīng)用到無(wú)數(shù)的實(shí)際工程中,一步一個(gè)腳印才逐步發(fā)展到現(xiàn)在的水平的。

個(gè)人以為開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)通用CAE軟件雖然是個(gè)美好的愿望,在中國(guó)目前的環(huán)境下,不切實(shí)際(國(guó)家連OS研發(fā)都不愿意投入,CAE更不用講了)。退一萬(wàn)步講,即使能開(kāi)發(fā)出來(lái)一個(gè)像樣的產(chǎn)品出來(lái),結(jié)局也能想到:基本上是被國(guó)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(guó)自主研發(fā)CAE軟件的出路是什么

既然沒(méi)必要開(kāi)發(fā)大型通用CAE軟件,那國(guó)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(diǎn):優(yōu)化和驗(yàn)證設(shè)計(jì),縮短產(chǎn)品上市周期。在這個(gè)過(guò)程中,用戶最耗時(shí)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(duì)這個(gè)部分做一些專業(yè)定制的開(kāi)發(fā),將會(huì)給客戶帶來(lái)很大的價(jià)值。試想,對(duì)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(gè)月。分析的工況有20個(gè),這些要全部手工建立,仿真結(jié)束后要自己生成報(bào)告。如果能開(kāi)發(fā)出一款專業(yè)的船舶建模軟件,用戶通過(guò)輸入?yún)?shù)就能很快建立幾何模型,而且可以從模板庫(kù)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(shí)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(duì)船舶開(kāi)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(bào)告格式。可能3天就能完成整個(gè)仿真流程。這樣可以大大減少用戶的工作量。尤其對(duì)于精密制造業(yè)比如飛機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī),芯片等,效率就是王道。

3. CAE軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

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

4. CAE軟件研發(fā)管理

CAE軟件各個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立,因此很容易模塊化,但是集成后各個(gè)模塊之間耦合度很高。

曾經(jīng)調(diào)試過(guò)一個(gè)case,仿真出現(xiàn)錯(cuò)誤,從求解器開(kāi)始debug,經(jīng)過(guò)Mesh,FEM模型,CAD模型,最后找到問(wèn)題的原因是CAD單位問(wèn)題,也有過(guò)從求解器debug開(kāi)始到CAD再又回來(lái),最終問(wèn)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(duì)研發(fā)人員背景有較高要求,需要理解CAE里很多概念。

對(duì)于一款常規(guī)的專業(yè)CAE軟件,參考開(kāi)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(jì),模塊設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證產(chǎn)品按預(yù)計(jì)進(jìn)度開(kāi)發(fā),以及軟件仿真流程正確運(yùn)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(jì)經(jīng)驗(yàn),而且要對(duì)CAE行業(yè)有較深刻的理解。

2>前處理開(kāi)發(fā)(2-3名)

前處理開(kāi)發(fā)主要負(fù)責(zé) 將CAD模型轉(zhuǎn)化為有限元模型,這個(gè)過(guò)程中主要是對(duì)CAD模型(按照各個(gè)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(dòng)設(shè)置,網(wǎng)格密度優(yōu)化,邊界自動(dòng)識(shí)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?yàn)檫@塊是最需要專業(yè)知識(shí)的地方。也是對(duì)圖形學(xué)要求最多的地方。

3>CAD開(kāi)發(fā)(1名,可選)

CAD通常需要一個(gè)CAD內(nèi)核,主要是建立和編輯幾何模型(三維),可以用開(kāi)源OCC,也可以用商業(yè)ACIS/Parasolid,也可以自主開(kāi)發(fā),看實(shí)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(jì)和實(shí)現(xiàn),比如工程文件設(shè)計(jì),打開(kāi),保存。這塊實(shí)際上和前處理會(huì)有很多重疊的地方。

5> 求解器開(kāi)發(fā)人員(1-2名 ,可選)

不多說(shuō),核心開(kāi)發(fā)。一名開(kāi)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(gè)厲害的求解器就夠了,如LS-Dyna和powerflow,各種前后處理器會(huì)圍著團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)

6>后處理開(kāi)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(shí)際工程需求和客戶需求轉(zhuǎn)化為實(shí)際可開(kāi)發(fā)需求?？梢赃@樣說(shuō):應(yīng)用工程師是整個(gè)團(tuán)隊(duì)的軍師。

敏捷開(kāi)發(fā)可以應(yīng)用到CAE的研發(fā)管理中,早期做原型時(shí),可以一個(gè)月作為一個(gè)Sprint,半年左右完成原型,以后逐步縮減Sprint時(shí)間,轉(zhuǎn)為迭代開(kāi)發(fā)。敏捷開(kāi)發(fā)的思路比較清晰,做法也很明確,可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行運(yùn)用。

5. CAE軟件的核心技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)

目前自主研發(fā)CAE軟件并沒(méi)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(gòu)買商業(yè)庫(kù)。個(gè)人認(rèn)為CAE軟件的核心技術(shù)在于:給用戶提供一整套問(wèn)題的解決方案,幫助用戶快速解決實(shí)際工程問(wèn)題,尤其在通用CAE軟件解決不了或者解決起來(lái)很費(fèi)勁的的領(lǐng)域,軟件在這個(gè)過(guò)程甚至可以只起輔助作用。當(dāng)然從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái),所有的基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)都不可避免。

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

開(kāi)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(huì)存在商業(yè)上的風(fēng)險(xiǎn),這是做需求分析時(shí)必須要考慮到的。

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