CAE軟件研發(fā)的一些思考(5)--系統(tǒng)的開發(fā)求解器

目前國(guó)內(nèi)大部分求解器,以及開源求解器的開發(fā)仍然停留在小作坊式的水平,開發(fā)出來的程序能實(shí)現(xiàn)基本功能,但在穩(wěn)定性,擴(kuò)展性,測(cè)試性,維護(hù)性等方面差強(qiáng)人意,很難達(dá)到商業(yè)應(yīng)用的要求。

嚴(yán)格意義上來講,求解器的開發(fā)也屬于軟件開發(fā)的范疇,理應(yīng)用軟件工程的思想來指導(dǎo),但由于求解器本身有其特殊性,開發(fā)流程也不適合完全按照一般軟件開發(fā)流程來做。

本文結(jié)合自己開發(fā)經(jīng)驗(yàn),討論一下如何系統(tǒng)的開發(fā)求解器。求解器開發(fā)可以分為三個(gè)階段:

1. 原型開發(fā)

這階段主要完成以下任務(wù):

1.1.技術(shù)選型;

確定要實(shí)現(xiàn)的功能,使用的開發(fā)語(yǔ)言,開發(fā)環(huán)境和工具。目前大部分求解器開發(fā)使用C/C++/Fortran語(yǔ)言

1.2 實(shí)現(xiàn)基本功能;

要能對(duì)最簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行計(jì)算,并得到正確的結(jié)果。需要做的工作:

• 能生成標(biāo)準(zhǔn)求解器的輸入文件,比如Nastran,Ansys,HFSS,Fluent等的求解器輸入文件,例子的計(jì)算結(jié)果要與這些標(biāo)準(zhǔn)求解器計(jì)算的結(jié)果做比較。
• 標(biāo)準(zhǔn)求解器輸入文件的解析器。用來解析輸入文件,作為開發(fā)求解器的輸入數(shù)據(jù)。
• 比較標(biāo)準(zhǔn)求解器的計(jì)算結(jié)果和開發(fā)的求解器結(jié)果。

這階段的主要目的是保證算法的正確性。開發(fā)時(shí)為了提高效率,可以借助Matlab軟件: 用Matlab完成原型的開發(fā),直到計(jì)算結(jié)果正確。在此基礎(chǔ)上再將Matlab翻譯成 C++/Fortran。這樣在早起可以將精力集中在算法驗(yàn)證上。需要注意的是盡量進(jìn)行模塊化開發(fā)。

1.3. 完成求解器原型; 

這里需要介紹一下Matlab軟件,基本介紹看百度,主要說一下Matlab混合編程。Matlab有工具是可以把M文件翻譯成C++的,不推薦。主要介紹如何把C++/Fortran文件編譯成Matlab文件。這個(gè)功能很有用,當(dāng)進(jìn)行模塊化開發(fā)的時(shí)候,C++/Fortran完成模塊功能,然后編譯成Mex文件,作為Matlab的模塊使用。這樣可以逐步將Matlab翻譯成C++/Fortran,提高開發(fā)效率。

小結(jié):

1>需要開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)求解器文件的解析器。

2>需要熟練使用標(biāo)準(zhǔn)CAE軟件進(jìn)行仿真,熟悉求解器輸入文件和計(jì)算結(jié)果

4>開發(fā)的求解器要能正確計(jì)算經(jīng)典的Benchmark例子

原型開發(fā)決定了開發(fā)的可行性,如果這階段的任務(wù)無(wú)法完成,需要加強(qiáng)研發(fā)的投入。

2. 迭代開發(fā)

這階段主要完成以下任務(wù):

1. 完善新功能

在完成原型的基礎(chǔ)上,添加新功能,比如支持新的單元類型,支持新的荷載邊界,處理更復(fù)雜的模型等。

2. 保證計(jì)算準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高求解器的質(zhì)量

4. 創(chuàng)建更多經(jīng)典的Benchmark例子進(jìn)行測(cè)試。

小結(jié):

迭代開發(fā)階段的主要目的是完善求解器,建立規(guī)范化的開發(fā)流程:

1> 確定技術(shù)選型,比如線性方程組庫(kù)的使用,并行計(jì)算,GPU等

2> 完善前處理和后處理

3> 建立更多經(jīng)典Benchmark例子,例子的選擇需要 有經(jīng)驗(yàn)的工程師的參與

4> 確定求解器輸入文件格式

5> 定期發(fā)布版本以供測(cè)試

3. 維護(hù)開發(fā)

這階段主要完成任務(wù)有:

1. 測(cè)試實(shí)際工程的例子,處理實(shí)際工程中所碰到的問題

實(shí)際工程的模型要遠(yuǎn)比經(jīng)典模型復(fù)雜,求解器需要更多的功能支持計(jì)算實(shí)際的模型。

2. 建立回歸測(cè)試機(jī)制

回歸測(cè)試是求解器開發(fā)中非常重要的一環(huán),通常求解器修改后,需要驗(yàn)證是否對(duì)以前的case有影響,這就需要建立回歸測(cè)試機(jī)制,通常用一種腳本語(yǔ)言(Python,Perl)開發(fā)回歸測(cè)試程序。每次修改代碼后,運(yùn)行程序,比對(duì)修改后與修改前的計(jì)算結(jié)果。

可以看出要開發(fā)出高質(zhì)量的求解器,既要熟悉求解器本身的算法,又要了解軟件開發(fā)流程,更要熟悉軟件工程中的架構(gòu),復(fù)用,重構(gòu),模塊等思想,對(duì)開發(fā)人員提出了更高的要求。