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(jì)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(jì)分析為主的CAD和以工程仿真計(jì)算為主的CAE都成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的靈魂支柱。為了進(jìn)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(diǎn)。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(jì)算（HPC）集群，利用HPC平臺軟件ClusterEngine、遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)加速企業(yè)設(shè)計(jì)、仿真開發(fā)
CAD（Computer Aided Design，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）指利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。
CAE（Computer Aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程）是指利用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的性能并進(jìn)行優(yōu)化工作，其目標(biāo)是“用最低的成本模擬真實(shí)世界”。
它們在現(xiàn)代制造業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過程中起著越來越重要的作用，具有較強(qiáng)自主創(chuàng)新能力的先進(jìn)企業(yè)，具備了通過廣泛運(yùn)用仿真技術(shù)和系統(tǒng)優(yōu)化來提高設(shè)計(jì)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(jì)、子系統(tǒng)功能分解等設(shè)計(jì)階段早期，以及部件詳細(xì)設(shè)計(jì)和集成驗(yàn)證階段，廣泛地使用仿真技術(shù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算，是對硬件資源需求最多的階段，主要計(jì)算量所在，對計(jì)算機(jī)性能要求高，如果結(jié)果符合預(yù)期，那么進(jìn)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(jìn)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?cái)?shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)加工，即模型制造工作。
伴隨計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)的重要研發(fā)工具，對比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，數(shù)值仿真可以幫助研發(fā)團(tuán)隊(duì)縮短研發(fā)周期，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(jì)算設(shè)備、如何高效利用高性能計(jì)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(jìn)行動態(tài)調(diào)配及監(jiān)控等，這也是當(dāng)前CAE計(jì)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(jì)“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(biāo)準(zhǔn)的零件是什么構(gòu)造就只能按這構(gòu)造去設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，即便是企業(yè)想改進(jìn)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(jìn)。
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(jì)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(jì)算僅較多地應(yīng)用到了設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)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(jì)算，而沒有做到“仿真驅(qū)動設(shè)計(jì)”，沒有充分解放和釋放仿真計(jì)算生產(chǎn)力，沒有通過仿真不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完后再仿真再改進(jìn)，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(dú)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(yàn)證、眾多的數(shù)值仿真軟件資源和計(jì)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(jì)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(jì)算的問題，而未集中解決CAD建模、模型前后處理問題，造成計(jì)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(jì)仿真流程不暢通，也無法建立合理機(jī)制在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)之間進(jìn)行共享，計(jì)算任務(wù)基本靠研究人員個體之間協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)和仿真應(yīng)用效率極為低下，同時因?yàn)橛布O(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(jī)登錄方式進(jìn)行圖形操作及計(jì)算，大規(guī)模計(jì)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(jìn)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(jì)算要求，從國外引進(jìn)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(shí)現(xiàn)前后處理平臺和計(jì)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(jì)算資源。
4、 資源調(diào)度與項(xiàng)目匹配脫節(jié)
軟、硬件資源基本屬于“定點(diǎn)到人”式的靜態(tài)分配，利用頻度存在嚴(yán)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(jī)或瘦客戶機(jī)遠(yuǎn)程進(jìn)行前后處理操作；IT部門缺乏有效管控手段，無法根據(jù)項(xiàng)目重要性、緊急程度進(jìn)行動態(tài)、實(shí)時調(diào)配，從而無法實(shí)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(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)，可是分散式的IT資源管理成為安全工作的一大難點(diǎn)。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(shí)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(jìn)入總體研發(fā)流程，已有的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)也無法積淀傳承和發(fā)展。
CAD設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真的自動化，也就是CAD/CAE的無縫結(jié)合。
破題：建立設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(xiàng)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(jì)算資源管理平臺的特征與輪廓：
1、仿真設(shè)計(jì)平臺可以集成數(shù)值仿真軟件并進(jìn)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(shí)時在線的仿真計(jì)算服務(wù)資源（Web Service），方便集團(tuán)內(nèi)用戶即需即用；
2、仿真設(shè)計(jì)平臺必須封裝所有的HPC操作指令等復(fù)雜操作，普通計(jì)算用戶無需參加任何培訓(xùn)即可獲得順暢愉悅的計(jì)算體驗(yàn)，同時對自己的資源利用權(quán)限了如指掌；
3、仿真設(shè)計(jì)平臺需要智能化監(jiān)控軟件License資源并實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，在保證科學(xué)分配計(jì)算資源的同時可以提供詳細(xì)的License利用情況分析報表，進(jìn)一步揭示計(jì)算資源瓶頸；
4、仿真設(shè)計(jì)平臺應(yīng)該實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)進(jìn)行信息雙向交互功能，將CAE計(jì)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(jì)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(jìn)企業(yè)私有資源、集團(tuán)共享資源甚至公共計(jì)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(jì)仿真一體化平臺。設(shè)計(jì)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(jì)算技術(shù)和遠(yuǎn)程可視化技術(shù)結(jié)合起來，同時提供仿真計(jì)算、遠(yuǎn)程辦公和三維設(shè)計(jì)服務(wù)，并且提供一套簡單易用的方式，使CAD三維設(shè)計(jì)工作站和CAE仿真計(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)算、三維設(shè)計(jì)及辦公能力，解決大型三維設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算的需求，可以為設(shè)計(jì)工程師提供更好圖形體驗(yàn)的遠(yuǎn)程可視化設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算多層次的需要；實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同和設(shè)計(jì)協(xié)同；最終實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、到前處理、仿真求解計(jì)算、到后處理的設(shè)計(jì)仿真一體化和協(xié)同。
另外，浪潮提供的仿真設(shè)計(jì)一體化平臺還可以收集平臺上各種資源運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，為數(shù)字設(shè)計(jì)集中應(yīng)用平臺科學(xué)運(yùn)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(shí)現(xiàn)良好的易用性，用易用的人機(jī)交互實(shí)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(shí)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(jī)交互的前后處理階段往往單獨(dú)處理，這是一種設(shè)計(jì)與仿真分離的解決方案，在實(shí)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(jì)仿真整體流程的效率，并且設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jì)仿真一體化解決方案實(shí)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(jìn)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(jì)仿真APP，設(shè)計(jì)/仿真工程師可以通過仿真云桌面自由安裝、使用設(shè)計(jì)仿真軟件及APP，隨時進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行高性能計(jì)算；設(shè)計(jì)階段和仿真階段流程上打通，無縫對接，平臺也可實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)地，在聚焦前沿技術(shù)的同時，不忘初心，踏實(shí)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(shí)助力產(chǎn)業(yè)升級。
