CAD、CAE技術(shù)的相互融合、相互滲透已成了工業(yè)用戶一種自發(fā)的有效需求。在新型CAD、CAE一體化技術(shù)產(chǎn)品的幫助下，工業(yè)化研發(fā)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。CAD、CAE一體化技術(shù)的出現(xiàn)，使得工業(yè)流程得到了縮減，研發(fā)、設(shè)計(jì)過程基本融合，可大大縮短產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　曙光公司最新推出的PHPC，不僅能夠滿足大規(guī)模計(jì)算的要求，而且在圖形顯示方面有很好的支持，能夠很好地實(shí)現(xiàn)一體化解決方案。 

　　本文詳細(xì)描述了CAD、CAE一體化發(fā)展的發(fā)展和趨勢，給出了了基于曙光PHPC的解決方案，通過具體的實(shí)現(xiàn)過程展示了一體化為工業(yè)界帶來的研發(fā)、設(shè)計(jì)過程的全新理念。通過詳細(xì)的分析可以看出，基于曙光PHPC的解決方案，不僅給用戶帶來高性能的計(jì)算服務(wù)，而且可以很好地控制整體擁有成本。

　　關(guān)鍵詞：

　　PHPC，CAD，CAE，一體化，協(xié)同環(huán)境

　　編寫人員：

　　陳偉

　　技術(shù)支持中心 解決方案中心 售前工程

　　1. CAD、CAE一體化

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)主要是用于研究如何用計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備和圖形輸入輸出設(shè)備來幫助人們進(jìn)行工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)，它是隨著計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、圖形設(shè)備以及軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。

　　CAD在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

　　（1）制造業(yè)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)已在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，其中以機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶、航天器等制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛、深入。

　　（2）工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用包括建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、市政管線設(shè)計(jì)等。

　　（3）電氣和電子電路方面的應(yīng)用。CAD技術(shù)最早曾用于電路原理圖和布線圖的設(shè)計(jì)工作。

　　計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，CAE軟件是由計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、數(shù)字仿真技術(shù)、工程管理學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，而形成一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。在近20年來市場需求的推動下，CAE技術(shù)有了長足的發(fā)展，它作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視。

　　汽車行業(yè)是CAE應(yīng)用最多、技術(shù)發(fā)展最成熟的領(lǐng)域。發(fā)動機(jī)方面可進(jìn)行其性能的計(jì)算機(jī)估計(jì)，燃燒過程的計(jì)算機(jī)模擬，冷卻、傳熱的有限元分析、缸體等結(jié)構(gòu)的有限元強(qiáng)度分析；車身方面，可進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)動態(tài)、靜態(tài)有限元分析，車身外型空氣動力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬，車身噪聲分析；在底盤方面，可進(jìn)行車架有限元分析，懸架機(jī)構(gòu)有限元分析，變速器、傳動軸及車橋等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析；整車方面，可進(jìn)行汽車平順性，操縱穩(wěn)定性的計(jì)算機(jī)模擬及撞車的有限元模擬。通過采用CAE技術(shù)，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少了開發(fā)費(fèi)用，而且也有利于通過優(yōu)化等手段開發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車整車和零部件。

　　CAD、CAE的起源不同，在現(xiàn)代工業(yè)中所實(shí)現(xiàn)的角色也不一致。CAD注重產(chǎn)品的外形特征，以提供圖形圖像、數(shù)字化模型為主，而CAE更注重的是產(chǎn)品物性特征問題，雖然也關(guān)注產(chǎn)品外型對其他性能的影響，但研究的對象是產(chǎn)品物理屬性而不是外部特征。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)信息化的逐步實(shí)現(xiàn)，將研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)相互割裂開來，會產(chǎn)生重復(fù)性投入，同時(shí)，相互割裂的各個(gè)環(huán)節(jié)，也會降低數(shù)字化工業(yè)流程的效率。例如，在汽車制造工業(yè)中，常規(guī)的流程是研發(fā)、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)，采用了CAD、CAE技術(shù)以后，通過數(shù)字化建模、仿真試驗(yàn)等方法，可大大減小各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間。然而，這個(gè)流程不是單向的流水線，而是一個(gè)反復(fù)的過程，在驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)的問題，都需要返回到設(shè)計(jì)階段進(jìn)行修改，而流程在各環(huán)節(jié)間的流轉(zhuǎn)，往往是效率低下、信息共享困難，難以體現(xiàn)數(shù)字化流程的優(yōu)勢。在這種情況下，CAD、CAE技術(shù)的相互融合、相互滲透就成了工業(yè)用戶一種自發(fā)的有效需求。在新型CAD、CAE一體化技術(shù)產(chǎn)品的幫助下，工業(yè)化研發(fā)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)了從二維制圖到三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。有限元分析人員可以在結(jié)構(gòu)件的三維實(shí)體幾何圖形上比較方便地用前處理劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，在計(jì)算機(jī)求解完成后用后處理顯示計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果的可視化（動畫顯示）使計(jì)算結(jié)果一目了然。有限元分析和前、后處理功能不斷發(fā)展和完善，越來越自動化和智能化，有限元分析計(jì)算結(jié)果的精度也在不斷提高。CAE與CAD同步，CAD為CAE提供數(shù)字化特征模型，CAE指導(dǎo)CAD，CAE為CAD提供依據(jù)。CAD、CAE一體化技術(shù)的出現(xiàn)，使得工業(yè)流程得到了縮減，研發(fā)、設(shè)計(jì)過程基本融合，可大大縮短產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境，定為于一個(gè)CAE協(xié)同平臺，該環(huán)境提供了與CAD軟件及設(shè)計(jì)流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多軟件模塊并實(shí)現(xiàn)了很多常用功能，使產(chǎn)品開發(fā)中能快速應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行分析，從而減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品附加價(jià)值。

　　（1） 與CAD軟件的雙向關(guān)連性。AWE通過獨(dú)特的架構(gòu)與CAD系統(tǒng)中的實(shí)體及曲面模型雙向連結(jié)，具有更高的CAD幾何導(dǎo)入成功率，當(dāng)CAD模型變化時(shí)，不需對所施加的載荷和約束重新定義；AWE與CAD系統(tǒng)的雙向相關(guān)性還意味著，通過AWE的參數(shù)管理可方便地控制CAD模型的參數(shù)，從而提高設(shè)計(jì)效率；AWE的這一功能，還可對多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，自動修改每一設(shè)計(jì)方案的幾何模型。

　　（2） 完全參數(shù)化分析環(huán)境。CAD軟件采用參數(shù)設(shè)計(jì)，對提高設(shè)計(jì)效率發(fā)揮了極大的作用，僅僅需要簡單的改變幾個(gè)數(shù)值，即可完成多種設(shè)計(jì)方案。AWE在CAE軟件中率先引入這一技術(shù)，可同時(shí)控制CAD的幾何參數(shù)和材料、力方向、溫度等分析參數(shù)，這一創(chuàng)新使得AWE與多種CAD軟件具有真正的雙向關(guān)連，通過交互式的參數(shù)管理可方便地輸入多種設(shè)計(jì)方案，只要點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)，參數(shù)可自動傳回CAD軟件，自動修改幾何模型。

　　（3） 自動化、智能化分析過程。ANSYS Workbench能夠自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，對于精度要求高的區(qū)域會自動調(diào)整網(wǎng)格密度；智能化網(wǎng)格劃分，生成形狀、特性較好的元素，保證網(wǎng)格的高質(zhì)量；自動收斂技術(shù)，是自動迭代過程，通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分以使指定的結(jié)果達(dá)到要求的精度；自動求解器選擇，根據(jù)所求解問題的類型自動選擇適合的求解器求解。

　　2.基于曙光PHPC的解決方案

　　隨著工業(yè)界自主創(chuàng)新的不斷深入，CAD、CAE領(lǐng)域的軟件、硬件環(huán)境和需求發(fā)生了顯著的變化。一方面，用戶對CAD、CAE技術(shù)的信任度和依賴性越來越高，CAD、CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍和深度都在不斷拓展、延伸，計(jì)算的規(guī)模和復(fù)雜度正迅速膨脹，對計(jì)算機(jī)性能的要求也相應(yīng)地大幅度提高；另一方面，由于CAD、CAE軟件的作用差別和發(fā)展過程的差異性，其對硬件的要求不完全一致，對于CAE，其要求的計(jì)算性能較高，而對于CAD軟件，則不僅要求單機(jī)速度，同時(shí)針對個(gè)人使用，對圖形顯示的要求相當(dāng)?shù)母摺?/P>

　　曙光公司最新推出的PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)，不僅能夠滿足大規(guī)模計(jì)算的要求，而且在圖形顯示方面有很好的支持，能夠很好地實(shí)現(xiàn)CAD、CAE解決方案。作為是曙光公司專為辦公室應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的雙核/四核服務(wù)器產(chǎn)品，不僅在計(jì)算性能方面超越了傳統(tǒng)機(jī)架式服務(wù)器，具有高穩(wěn)定、高可用、高擴(kuò)展、高密度、高性能的特點(diǎn)，而且把用戶的使用和體驗(yàn)放在了更重要的高度，使用戶得到的不僅僅是高效的生產(chǎn)效率，同時(shí)帶給用戶全新的使用感受，在辦公環(huán)境中輕松實(shí)現(xiàn)高性能服務(wù)器和高端圖形工作站的完美組合。

　　曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)采用業(yè)界領(lǐng)先的模塊化設(shè)計(jì)理念，在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)集成了電源模塊、散熱模塊、通訊模塊，同時(shí)做到統(tǒng)一的智能管理，大大降低了管理成本和維護(hù)的復(fù)雜度； 高效的計(jì)算模塊，在一個(gè)節(jié)點(diǎn)之內(nèi)集成了2個(gè)四核處理器，單個(gè)節(jié)點(diǎn)上可實(shí)現(xiàn)高效率的smp計(jì)算；先進(jìn)的模塊設(shè)計(jì)理念，具有極高的可擴(kuò)展性，可動態(tài)地隨需配置；內(nèi)置先進(jìn)的千兆網(wǎng)絡(luò)、Infiniband交換網(wǎng)絡(luò)，客戶可以快速、簡便地部署高效的集群環(huán)境；高密度、低噪音、低功耗的設(shè)計(jì)，使得服務(wù)器對工作環(huán)境的要求降到了最低，可部署在個(gè)人辦公環(huán)境，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的個(gè)人化；創(chuàng)造性地引入高速IO擴(kuò)展插槽，可實(shí)現(xiàn)從高性能服務(wù)器到高端圖形工作站的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖形工作站、服務(wù)器、集群的一體化。

　　利用曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)的硬件平臺，搭配行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的ANSYS Workbench Environment，可為用戶提供一個(gè)滿足常規(guī)應(yīng)用要求的CAD、CAE一體化解決方案。

　　通過圖形化操作界面，可方便地建立所需要的數(shù)字化CAD模型，而且在整個(gè)過程中保持參數(shù)化，任何時(shí)刻都能對幾何模型進(jìn)行更改。圖b中，通過Workbench的智能化分析功能，可以進(jìn)行接觸對的自動檢測，并將之添加到分析中。圖c中，通過Workbench的自動網(wǎng)格劃分功能，可以很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動劃分，對于有較高要求的網(wǎng)格，完全可以通過人工干預(yù)的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量的修改。圖d中，通過Workbench的智能化分析功能，可以很方便地添加載荷、約束等邊界條件，完成基本設(shè)置后，提交CAE計(jì)算，便可得到圖e的分析結(jié)果，也可通過報(bào)告生成器完成詳實(shí)的分析報(bào)告。

　　通過以上分析過程可以發(fā)現(xiàn)，基于曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)的一體化CAD、CAE解決方案，大大簡化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證過程的流程，使得CAD、CAE成為一個(gè)同步進(jìn)行、及時(shí)反饋、隨時(shí)校正的有機(jī)過程，可大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析過程的效率。另外，分析過程中，幾何模型、載荷等都能夠?qū)崿F(xiàn)完全的參數(shù)化，通過交互式的參數(shù)管理可方便地輸入多種設(shè)計(jì)方案，對相似的案例進(jìn)行局部修改便可完成一個(gè)新的分析過程，也使得技術(shù)人員可以快速完成大量的設(shè)計(jì)、分析工作。

　　3.方案優(yōu)勢

　　曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)提供的一體化解決方案，不僅給用戶提供了高性能的計(jì)算資源，同時(shí)也為后續(xù)使用和維護(hù)提供了一整套更經(jīng)濟(jì)、更高效的服務(wù)。隨著軟硬件技術(shù)在摩爾定律的推動下不斷前進(jìn)，計(jì)算資源的實(shí)現(xiàn)已不是問題，高效的集群技術(shù)更是實(shí)現(xiàn)了硬件成本的直線下降。隨著計(jì)算資源的逐漸膨脹，用戶的總體擁有成本問題逐漸浮出水面。基于曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)的一體化解決方案能夠解決這一系列的問題。

　　（1）應(yīng)用軟件

　　對于用戶而言，實(shí)現(xiàn)硬件價(jià)值的最好方式是全面應(yīng)用，即通過應(yīng)用軟件把計(jì)算資源轉(zhuǎn)化為計(jì)算結(jié)果。然而往往用戶的硬件采購?fù)浅杀就度氲拈_始，應(yīng)用軟件的價(jià)格居高不下，某些情況下甚至單個(gè)軟件的價(jià)格超過了硬件價(jià)格，這時(shí)候就必須把軟件成本慎重考慮了。

　　例如，對于一般的中小企業(yè)，需要對新開發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行仿真驗(yàn)證，那么整個(gè)流程需要各種軟件的支持，首先需要CAD軟件進(jìn)行模型的建立，然后倒入到前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格化分，再倒入到CAE軟件進(jìn)行分析，最后通過后處理軟件再實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果處理。如果各個(gè)環(huán)節(jié)的軟件分別采購的話，總的軟件價(jià)格數(shù)額十分驚人。另外一方面，種類繁多的專業(yè)應(yīng)用軟件需要技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)和練習(xí)才能達(dá)到熟練使用的目的，這部分的開支對企業(yè)而言，也是十分龐大的。

　　采用基于曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)的一體化解決方案，通過相關(guān)的CAD、CAE一體化軟件，可以輕松實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化的ALL-IN-ONE。對于其他的硬件系統(tǒng)，由于其功能、作用的限制，雖然可以實(shí)現(xiàn)軟件的一體化，但仍然無法做到硬件方面的一體化來實(shí)現(xiàn)軟件的功能，可見曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)能大幅降低總體成本。

　　（2）能源消耗

　　隨著國際能源環(huán)境的日益緊張，能源消耗的問題越來越得到企業(yè)的重視。服務(wù)器的能耗已經(jīng)占用了大量企業(yè)投資。巨額的企業(yè)能源和冷卻系統(tǒng)的電力消耗和資金投入已成為嚴(yán)峻問題。研究數(shù)據(jù)表明，在2007年中國用于服務(wù)器的電源和冷卻的總開支達(dá)到了驚人的19億美元。僅在北京和廣東兩個(gè)地區(qū)，這部分的投入就達(dá)到3.2億美元和3.6億美元，占到全國的35.8％。除了服務(wù)器本身的巨大消耗，整個(gè)系統(tǒng)對電能和其他必要能源的消耗還不止于此，存儲、網(wǎng)絡(luò)、甚至是制冷、空調(diào)、風(fēng)扇和照明同樣加重了整個(gè)企業(yè)的電力消耗。

　　通過在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)高密度分布多個(gè)計(jì)算模塊，可以運(yùn)算能力的成倍擴(kuò)展。曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)提供的節(jié)點(diǎn)比機(jī)架式服務(wù)器或者PC服務(wù)器的功耗低得多，顯而易見，可以實(shí)現(xiàn)更高的能源性價(jià)比；模塊化設(shè)計(jì)保證了高擴(kuò)展性，用戶可隨計(jì)算需要隨時(shí)動態(tài)調(diào)整配置，減少不必要的能源消耗；此外，模塊化的設(shè)計(jì)，使得曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、散熱、電源等方面的共享，進(jìn)一步降低了能源消耗；另外，曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)不需要單獨(dú)的機(jī)房，只需布置在平常的辦公環(huán)境，使用普通市電即可，不僅節(jié)約了機(jī)房建設(shè)成本，同時(shí)也免除了機(jī)房維護(hù)和運(yùn)行消耗。對于有更高散熱和噪音控制要求的用戶，曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)可選配水冷設(shè)備。

　　（3）日常維護(hù)

　　服務(wù)器的可擴(kuò)展性、易用性、可管理性、可靠性正日益受到用戶的重視，這也是曙光服務(wù)器所追求的“SUMA”標(biāo)準(zhǔn)。曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)創(chuàng)新性地將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)及管理都通過模塊化方式集成為一站式系統(tǒng)使用戶能靈活、簡便地將多類硬件集成，從繁重維護(hù)轉(zhuǎn)為便于擴(kuò)展與管理，解決了專業(yè)維護(hù)的難題。核心部件過模塊化設(shè)計(jì)，隨需擴(kuò)展，體現(xiàn)出了產(chǎn)品的靈活性，基于雙路四核的計(jì)算模塊、模塊化網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、風(fēng)扇及電源都可靈活組織。

　　模塊化設(shè)計(jì)也使得日常檢查和更換操作簡單化，只需簡單的插拔即可完成日常的維護(hù)工作。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也就意味著無線纜設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)全部采用集成電路板，無任何的線纜，避免了線纜間的電磁干擾；同時(shí)，無線纜設(shè)計(jì)也大大減少了線纜因各種原因?qū)е碌墓收希簿褪沟谜麄€(gè)系統(tǒng)整體的可靠性得到了很大的提高。

　　曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)的人性化設(shè)計(jì)更好地體現(xiàn)在其可管理性方面，雙冗余的管理模塊，可實(shí)現(xiàn)共享USB功能、KVM切換、計(jì)算模塊狀態(tài)、故障定位、開關(guān)機(jī)等全方位管理控制監(jiān)視功能；更可選配KVM Over IP功能模塊，實(shí)現(xiàn)管理維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)可視化。

　　總結(jié)

　　曙光PHPC100個(gè)人高性能計(jì)算機(jī)能夠滿足用戶的高性能計(jì)算的需求，同時(shí)提供高質(zhì)量的圖形顯示能力，配合相關(guān)軟件，能夠搭建完美的CAD、CAE一體化平臺，給用戶帶來高性能計(jì)算機(jī)的效率與穩(wěn)定；在應(yīng)用軟件、能源消耗、日常維護(hù)等方面體現(xiàn)的絕對優(yōu)勢，大大降低了企業(yè)的總體擁有成本，可助力中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的信息化。

文章作者：楊麗