北京2020年7月7日 /美通社/ -- 創(chuàng)新是制造業(yè)發(fā)展的核心，因此制造企業(yè)要從“制造”到“質(zhì)造”，領(lǐng)先的設(shè)計研發(fā)能力是關(guān)鍵。隨著研發(fā)復(fù)雜度和精度要求的提升，以三維設(shè)計分析為主的CAD和以工程仿真計算為主的CAE都成了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的靈魂支柱。為了進一步優(yōu)化開發(fā)流程，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，研發(fā)工作中如何更好地融合CAD和CAE成為企業(yè)研發(fā)管理的重點。近期，浪潮為某家電制造企業(yè)先后建設(shè)了兩期高性能計算（HPC）集群，利用HPC平臺軟件ClusterEngine、遠程可視化等技術(shù)，打通了CAD和CAE應(yīng)用，在制造業(yè)升級的大潮中，不斷為企業(yè)創(chuàng)新加速。
計算機技術(shù)加速企業(yè)設(shè)計、仿真開發(fā)
CAD（Computer Aided Design，即計算機輔助設(shè)計）指利用計算機及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計人員進行設(shè)計工作。
CAE（Computer Aided Engineering，即計算機輔助工程）是指利用計算機輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的性能并進行優(yōu)化工作，其目標是“用最低的成本模擬真實世界”。
它們在現(xiàn)代制造業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計過程中起著越來越重要的作用，具有較強自主創(chuàng)新能力的先進企業(yè)，具備了通過廣泛運用仿真技術(shù)和系統(tǒng)優(yōu)化來提高設(shè)計能力的特性。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，一般基于系統(tǒng)工程方法，在系統(tǒng)概念設(shè)計、子系統(tǒng)功能分解等設(shè)計階段早期，以及部件詳細設(shè)計和集成驗證階段，廣泛地使用仿真技術(shù)驗證設(shè)計方案的可行性，注重多學(xué)科聯(lián)合仿真，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，并使得創(chuàng)新技術(shù)可以以較低風(fēng)險應(yīng)用在新型產(chǎn)品中。
如下是現(xiàn)代制造業(yè)工作的基本流程：
第一步CAD階段是建立所需問題的幾何模型，之后確定初始條件和邊界條件，劃分網(wǎng)格之后即可生成用于計算的數(shù)值模型，給定求解控制參數(shù)。
第二步CAE階段是仿真計算，是對硬件資源需求最多的階段，主要計算量所在，對計算機性能要求高，如果結(jié)果符合預(yù)期，那么進行第三步，否則修改模型，重復(fù)第二步操作。
第三步CAPP階段是將第一步的幾何信息和工藝信息進行輸入，裝配后輸出對應(yīng)的工藝文件。
第四步CAM階段是根據(jù)相應(yīng)工藝文件里面預(yù)設(shè)的工藝路線和工序內(nèi)容，操控數(shù)控機床進行生產(chǎn)加工，即模型制造工作。
伴隨計算機處理能力的日益提高，數(shù)值仿真已經(jīng)成為眾多工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)或者研究機構(gòu)的重要研發(fā)工具，對比傳統(tǒng)實驗手段，數(shù)值仿真可以幫助研發(fā)團隊縮短研發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，積累研發(fā)知識，節(jié)約研發(fā)成本，提升企業(yè)核心競爭力。
然而，眾多企業(yè)在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級中凸顯出許多難題，如何有效管控CAD高端圖形計算設(shè)備、如何高效利用高性能計算集群節(jié)省硬件投資成本、如何將這些多樣化的CAE軟件資源打通、統(tǒng)一管理應(yīng)用起來并進行動態(tài)調(diào)配及監(jiān)控等，這也是當(dāng)前CAE計算應(yīng)用過程中需要解決的重大問題。
荊棘叢生：仿真和設(shè)計“脫節(jié)”，CAD/CAE雙劍未合璧
曾幾何時，我國制造業(yè)領(lǐng)域的許多產(chǎn)品都是參考行業(yè)研發(fā)，盡管產(chǎn)品制造生產(chǎn)速度快，但多數(shù)“知其然而不知其所以然”，大多數(shù)情況下略去了技術(shù)原理研究和系統(tǒng)方案優(yōu)化迭代，產(chǎn)品難以持續(xù)提升和迭代。如在某大型產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)中，行業(yè)標準的零件是什么構(gòu)造就只能按這構(gòu)造去設(shè)計和生產(chǎn)，即便是企業(yè)想改進這個零部件也怕出現(xiàn)整體無法預(yù)知的的風(fēng)險不敢用到產(chǎn)品中去，產(chǎn)品更何談升級改進。
欣喜的是，近十年來尋求產(chǎn)業(yè)升級的大部分企業(yè)逐漸采用起了仿真技術(shù)，但大多數(shù)制造企業(yè)整體CAE仿真整體還處于基礎(chǔ)應(yīng)用階段，僅在部分學(xué)科領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且工程仿真僅起到協(xié)助工程設(shè)計參考和技術(shù)預(yù)研的作用，仿真軟硬件資源沒有充分利用。如企業(yè)的仿真計算僅較多地應(yīng)用到了設(shè)計結(jié)果驗證和校核，處于事后分析的狀態(tài)，僅僅是傳統(tǒng)概念上應(yīng)用CAE仿真計算，而沒有做到“仿真驅(qū)動設(shè)計”，沒有充分解放和釋放仿真計算生產(chǎn)力，沒有通過仿真不斷改進設(shè)計，設(shè)計完后再仿真再改進，形成良好閉環(huán)，不斷完善產(chǎn)品，形成核心產(chǎn)品競爭力。這就不得不提到CAD和CAE打通集成的問題，CAD和CAE在傳統(tǒng)企業(yè)用起來的確是問題多多，發(fā)揮不出雙劍合璧的效力。傳統(tǒng)的CAD/CAE相互獨立，會造成很多問題。比如信息孤島、數(shù)據(jù)不兼容、仿真結(jié)果無法驗證、眾多的數(shù)值仿真軟件資源和計算設(shè)備資源分散無序等，伴隨大規(guī)模數(shù)值仿真需求和資源的發(fā)展不可避免的呈現(xiàn)出以下矛盾：
1、 硬件資源利用無序且低效
硬件資源（圖形工作站、計算服務(wù)器等）購置之后始終處于分散狀態(tài)，HPC集群只集中解決了仿真計算的問題，而未集中解決CAD建模、模型前后處理問題，造成計算和前后處理兩大業(yè)務(wù)的割裂，導(dǎo)致整個數(shù)字化設(shè)計仿真流程不暢通，也無法建立合理機制在項目團隊之間進行共享，計算任務(wù)基本靠研究人員個體之間協(xié)調(diào)，設(shè)計和仿真應(yīng)用效率極為低下，同時因為硬件設(shè)備固有的淘汰周期而降低了硬件資源的投資回報率。
2、 軟件資源分配缺乏合理性
昂貴的數(shù)值仿真軟件購置之后分布安裝于各個工作站或者服務(wù)器上，研究人員通過單機登錄方式進行圖形操作及計算，大規(guī)模計算需求經(jīng)常會遇到硬件資源瓶頸而無法解決，數(shù)據(jù)安全問題也僅能通過手動刪除等方式進行簡單處理。
3、資源請求方式亟需簡化
許多工業(yè)客戶為了大規(guī)模仿真計算要求，從國外引進了昂貴的HPC調(diào)度管理軟件，但是由于易用性與靈活性問題，企業(yè)難以集成仿真應(yīng)用軟件，也難以實現(xiàn)前后處理平臺和計算平臺的統(tǒng)一使用流程，系統(tǒng)難以推廣普及，用戶迫切需要一個簡單的、貼合仿真應(yīng)用流程的資源管理平臺，可輕松使用仿真和計算資源。
4、 資源調(diào)度與項目匹配脫節(jié)
軟、硬件資源基本屬于“定點到人”式的靜態(tài)分配，利用頻度存在嚴重的不均衡性。每個人都配置高規(guī)格物理物理工作站，成本高且不易管理，用戶也無法通過普通臺式機或瘦客戶機遠程進行前后處理操作；IT部門缺乏有效管控手段，無法根據(jù)項目重要性、緊急程度進行動態(tài)、實時調(diào)配，從而無法實時的將軟硬件資源轉(zhuǎn)化為高效的研發(fā)生產(chǎn)力。
5、 數(shù)據(jù)流程安全保障手段弱
數(shù)據(jù)、流程安全已經(jīng)成為研究機構(gòu)的工作重點，可是分散式的IT資源管理成為安全工作的一大難點。大結(jié)果文件上傳、下載頻繁且耗時長，增加了數(shù)據(jù)安全的不可控性；沒有利用自動化的IT手段實時監(jiān)管數(shù)據(jù)并規(guī)范流程，數(shù)值仿真工作沒有無縫集成進入總體研發(fā)流程，已有的研發(fā)經(jīng)驗也無法積淀傳承和發(fā)展。
CAD設(shè)計和CAE仿真之間存在著巨大的場景差異和應(yīng)用鴻溝，這給制造業(yè)升級帶來了巨大的困難，現(xiàn)階段產(chǎn)品的快速研發(fā)迭代，亟需CAD和CAE的融合，即在一個平臺上完成CAD/CAE，實現(xiàn)設(shè)計仿真的自動化，也就是CAD/CAE的無縫結(jié)合。
破題：建立設(shè)計仿真一體化平臺，集成打通CAD/CAE應(yīng)用
企業(yè)花大價錢購買了高性能集群和工作站集群，核心就是要提升產(chǎn)品的研發(fā)能力，這涉及到CAD和CAE的融合打通和方便應(yīng)用CAD/CAE設(shè)計仿真軟件/應(yīng)用的一系列功能組件或業(yè)務(wù)流程，需求高效的設(shè)計仿真一體化平臺。這里面最關(guān)鍵的就是是CAD和CAE的底層打通和集成，同時要輔助配套應(yīng)用方面相關(guān)的功能組件，方面后續(xù)平臺的整體使用。
在與客戶長期的項目合作與溝通中，浪潮清晰地勾勒出了客戶真正需要的仿真計算資源管理平臺的特征與輪廓：
1、仿真設(shè)計平臺可以集成數(shù)值仿真軟件并進行調(diào)用接口封裝工作，將其從固定化軟件工具轉(zhuǎn)變成為實時在線的仿真計算服務(wù)資源（Web Service），方便集團內(nèi)用戶即需即用；
2、仿真設(shè)計平臺必須封裝所有的HPC操作指令等復(fù)雜操作，普通計算用戶無需參加任何培訓(xùn)即可獲得順暢愉悅的計算體驗，同時對自己的資源利用權(quán)限了如指掌；
3、仿真設(shè)計平臺需要智能化監(jiān)控軟件License資源并實現(xiàn)精細化管理，在保證科學(xué)分配計算資源的同時可以提供詳細的License利用情況分析報表，進一步揭示計算資源瓶頸；
4、仿真設(shè)計平臺應(yīng)該實現(xiàn)與產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)進行信息雙向交互功能，將CAE計算真正融入企業(yè)研發(fā)流程中，形成資源、數(shù)據(jù)、流程的高度整合與統(tǒng)一；
5、計算資源管理平臺應(yīng)該具備足夠的彈性，可以在安全策略的指導(dǎo)之下促進企業(yè)私有資源、集團共享資源甚至公共計算資源的逐步整合與分層次利用。
浪潮為客戶提議建設(shè)設(shè)計仿真一體化平臺。設(shè)計仿真一體化平臺需要安裝集成多種辦公和CAD/CAE制造業(yè)專業(yè)應(yīng)用軟件，通過將高性能計算技術(shù)和遠程可視化技術(shù)結(jié)合起來，同時提供仿真計算、遠程辦公和三維設(shè)計服務(wù)，并且提供一套簡單易用的方式，使CAD三維設(shè)計工作站和CAE仿真計算集群無縫對接起來，讓企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員和設(shè)計員工可以高效地管理和使用整個系統(tǒng)。
浪潮在自身HPC平臺軟件ClusterEngine的基礎(chǔ)上進行專業(yè)定制開發(fā)，對接該客戶的應(yīng)用軟件和業(yè)務(wù)流程，使得交付的仿真設(shè)計一體化平臺可以整合現(xiàn)有的服務(wù)器和工作站資源，統(tǒng)一管理辦公和專業(yè)軟件工具、硬件資源，提供統(tǒng)一數(shù)字化業(yè)務(wù)平臺，按需分配，高效利用現(xiàn)有資源；提供仿真計算、三維設(shè)計及辦公能力，解決大型三維設(shè)計、仿真計算的需求，可以為設(shè)計工程師提供更好圖形體驗的遠程可視化設(shè)計環(huán)境，包括二維和三維圖形顯示，滿足各種軟件工具使用的需要；同時實現(xiàn)了仿真資源統(tǒng)一調(diào)度管理，支持Windows/Linux各類環(huán)境，滿足各類仿真計算多層次的需要；實現(xiàn)工作數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和管理，解決數(shù)據(jù)離散、不能有效共享的問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同和設(shè)計協(xié)同；最終實現(xiàn)從設(shè)計、到前處理、仿真求解計算、到后處理的設(shè)計仿真一體化和協(xié)同。
另外，浪潮提供的仿真設(shè)計一體化平臺還可以收集平臺上各種資源運行數(shù)據(jù)，進行綜合統(tǒng)計分析，為數(shù)字設(shè)計集中應(yīng)用平臺科學(xué)運營和后期規(guī)劃提供決策依據(jù)；可以提供簡單高效的用戶界面、實現(xiàn)良好的易用性，用易用的人機交互實現(xiàn)用戶使用模式和工作模式的切換；同時通過三權(quán)分立等技術(shù)實現(xiàn)工作數(shù)據(jù)安全管理，防止資產(chǎn)丟失和泄露。
助力產(chǎn)業(yè)升級，推動“制造”向“質(zhì)造”、“智造”發(fā)展
當(dāng)前傳統(tǒng)的制造業(yè)HPC解決方案，只是將自動化程度更高的CAE仿真分析階段作了并行化處理，對于需要大量人機交互的前后處理階段往往單獨處理，這是一種設(shè)計與仿真分離的解決方案，在實際使用過程中，這種前后脫節(jié)的解決方案并不能從根本上提升用戶設(shè)計仿真整體流程的效率，并且設(shè)計平臺與仿真平臺的前后分離，又導(dǎo)致出現(xiàn)了很多新的痛點，例如數(shù)據(jù)難題、資源難題、應(yīng)用難題、管理難題等等。
在制造業(yè)加速升級的背景下，浪潮為客戶定制開發(fā)的設(shè)計仿真一體化解決方案實現(xiàn)了CAD和CAE的底層打通和應(yīng)用融合，推動了該企業(yè)向質(zhì)量型效益型方向發(fā)展，幫助企業(yè)降本提質(zhì)增效，提升產(chǎn)業(yè)鏈價值，進一步奠定了該企業(yè)在行業(yè)的龍頭地位。浪潮也協(xié)助客戶安裝了多種商業(yè)仿真軟件，并協(xié)助開發(fā)設(shè)計仿真APP，設(shè)計/仿真工程師可以通過仿真云桌面自由安裝、使用設(shè)計仿真軟件及APP，隨時進行設(shè)計或仿真分析，并能夠通過云仿真超算平臺軟件提交HPC作業(yè)，彈性條用HPC資源，進行高性能計算；設(shè)計階段和仿真階段流程上打通，無縫對接，平臺也可實現(xiàn)對設(shè)計仿真數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲和管理，幫助企業(yè)提升了技術(shù)研發(fā)、創(chuàng)新能力以及數(shù)字化、智能化等新興技術(shù)的應(yīng)用能力。
浪潮也將繼續(xù)仰望星空，腳踏實地，在聚焦前沿技術(shù)的同時，不忘初心，踏實服務(wù)，為企業(yè)客戶提供更多更好的成熟技術(shù)支撐，切實助力產(chǎn)業(yè)升級。
