浪潮高性能计算加速CAD与CAE集成融合，让创新再快点

北京2020年7月7日 /美通社/ -- 创新是制造业发展的核心，因此制造企业要从“制造”到“质造”，领先的设计研发能力是关键。随着研发复杂度和精度要求的提升，以三维设计分析为主的CAD和以工程仿真计算为主的CAE都成了产品设计开发的灵魂支柱。为了进一步优化开发流程，缩短产品研发周期，研发工作中如何更好地融合CAD和CAE成为企业研发管理的重点。近期，浪潮为某家电制造企业先后建设了两期高性能计算（HPC）集群，利用HPC平台软件ClusterEngine、远程可视化等技术，打通了CAD和CAE应用，在制造业升级的大潮中，不断为企业创新加速。

计算机技术加速企业设计、仿真开发

CAD（Computer Aided Design，即计算机辅助设计）指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。

CAE（Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程）是指利用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的性能并进行优化工作，其目标是“用最低的成本模拟真实世界”。

它们在现代制造业的产品研发设计过程中起着越来越重要的作用，具有较强自主创新能力的先进企业，具备了通过广泛运用仿真技术和系统优化来提高设计能力的特性。在产品研发过程中，一般基于系统工程方法，在系统概念设计、子系统功能分解等设计阶段早期，以及部件详细设计和集成验证阶段，广泛地使用仿真技术验证设计方案的可行性，注重多学科联合仿真，从而提高产品质量和可靠性，并使得创新技术可以以较低风险应用在新型产品中。

如下是现代制造业工作的基本流程：

  
  现代制造业设计与制造基础作业流程

第一步CAD阶段是建立所需问题的几何模型，之后确定初始条件和边界条件，划分网格之后即可生成用于计算的数值模型，给定求解控制参数。

第二步CAE阶段是仿真计算，是对硬件资源需求最多的阶段，主要计算量所在，对计算机性能要求高，如果结果符合预期，那么进行第三步，否则修改模型，重复第二步操作。

第三步CAPP阶段是将第一步的几何信息和工艺信息进行输入，装配后输出对应的工艺文件。

第四步CAM阶段是根据相应工艺文件里面预设的工艺路线和工序内容，操控数控机床进行生产加工，即模型制造工作。

伴随计算机处理能力的日益提高，数值仿真已经成为众多工业领域的企业或者研究机构的重要研发工具，对比传统实验手段，数值仿真可以帮助研发团队缩短研发周期，优化产品设计，积累研发知识，节约研发成本，提升企业核心竞争力。

然而，众多企业在产业转型升级中凸显出许多难题，如何有效管控CAD高端图形计算设备、如何高效利用高性能计算集群节省硬件投资成本、如何将这些多样化的CAE软件资源打通、统一管理应用起来并进行动态调配及监控等，这也是当前CAE计算应用过程中需要解决的重大问题。

荆棘丛生：仿真和设计“脱节”，CAD/CAE双剑未合璧

曾几何时，我国制造业领域的许多产品都是参考行业研发，尽管产品制造生产速度快，但多数“知其然而不知其所以然”，大多数情况下略去了技术原理研究和系统方案优化迭代，产品难以持续提升和迭代。如在某大型产品生产研发中，行业标准的零件是什么构造就只能按这构造去设计和生产，即便是企业想改进这个零部件也怕出现整体无法预知的的风险不敢用到产品中去，产品更何谈升级改进。

欣喜的是，近十年来寻求产业升级的大部分企业逐渐采用起了仿真技术，但大多数制造企业整体CAE仿真整体还处于基础应用阶段，仅在部分学科领域得到应用，而且工程仿真仅起到协助工程设计参考和技术预研的作用，仿真软硬件资源没有充分利用。如企业的仿真计算仅较多地应用到了设计结果验证和校核，处于事后分析的状态，仅仅是传统概念上应用CAE仿真计算，而没有做到“仿真驱动设计”，没有充分解放和释放仿真计算生产力，没有通过仿真不断改进设计，设计完后再仿真再改进，形成良好闭环，不断完善产品，形成核心产品竞争力。这就不得不提到CAD和CAE打通集成的问题，CAD和CAE在传统企业用起来的确是问题多多，发挥不出双剑合璧的效力。传统的CAD/CAE相互独立，会造成很多问题。比如信息孤岛、数据不兼容、仿真结果无法验证、众多的数值仿真软件资源和计算设备资源分散无序等，伴随大规模数值仿真需求和资源的发展不可避免的呈现出以下矛盾：

1、 硬件资源利用无序且低效

硬件资源（图形工作站、计算服务器等）购置之后始终处于分散状态，HPC集群只集中解决了仿真计算的问题，而未集中解决CAD建模、模型前后处理问题，造成计算和前后处理两大业务的割裂，导致整个数字化设计仿真流程不畅通，也无法建立合理机制在项目团队之间进行共享，计算任务基本靠研究人员个体之间协调，设计和仿真应用效率极为低下，同时因为硬件设备固有的淘汰周期而降低了硬件资源的投资回报率。

2、 软件资源分配缺乏合理性

昂贵的数值仿真软件购置之后分布安装于各个工作站或者服务器上，研究人员通过单机登录方式进行图形操作及计算，大规模计算需求经常会遇到硬件资源瓶颈而无法解决，数据安全问题也仅能通过手动删除等方式进行简单处理。

3、资源请求方式亟需简化

许多工业客户为了大规模仿真计算要求，从国外引进了昂贵的HPC调度管理软件，但是由于易用性与灵活性问题，企业难以集成仿真应用软件，也难以实现前后处理平台和计算平台的统一使用流程，系统难以推广普及，用户迫切需要一个简单的、贴合仿真应用流程的资源管理平台，可轻松使用仿真和计算资源。

4、 资源调度与项目匹配脱节

软、硬件资源基本属于“定点到人”式的静态分配，利用频度存在严重的不均衡性。每个人都配置高规格物理物理工作站，成本高且不易管理，用户也无法通过普通台式机或瘦客户机远程进行前后处理操作；IT部门缺乏有效管控手段，无法根据项目重要性、紧急程度进行动态、实时调配，从而无法实时的将软硬件资源转化为高效的研发生产力。

5、 数据流程安全保障手段弱

数据、流程安全已经成为研究机构的工作重点，可是分散式的IT资源管理成为安全工作的一大难点。大结果文件上传、下载频繁且耗时长，增加了数据安全的不可控性；没有利用自动化的IT手段实时监管数据并规范流程，数值仿真工作没有无缝集成进入总体研发流程，已有的研发经验也无法积淀传承和发展。

CAD设计和CAE仿真之间存在着巨大的场景差异和应用鸿沟，这给制造业升级带来了巨大的困难，现阶段产品的快速研发迭代，亟需CAD和CAE的融合，即在一个平台上完成CAD/CAE，实现设计仿真的自动化，也就是CAD/CAE的无缝结合。

破题：建立设计仿真一体化平台，集成打通CAD/CAE应用

企业花大价钱购买了高性能集群和工作站集群，核心就是要提升产品的研发能力，这涉及到CAD和CAE的融合打通和方便应用CAD/CAE设计仿真软件/应用的一系列功能组件或业务流程，需求高效的设计仿真一体化平台。这里面最关键的就是是CAD和CAE的底层打通和集成，同时要辅助配套应用方面相关的功能组件，方面后续平台的整体使用。

在与客户长期的项目合作与沟通中，浪潮清晰地勾勒出了客户真正需要的仿真计算资源管理平台的特征与轮廓：

1、仿真设计平台可以集成数值仿真软件并进行调用接口封装工作，将其从固定化软件工具转变成为实时在线的仿真计算服务资源（Web Service），方便集团内用户即需即用；

2、仿真设计平台必须封装所有的HPC操作指令等复杂操作，普通计算用户无需参加任何培训即可获得顺畅愉悦的计算体验，同时对自己的资源利用权限了如指掌；

3、仿真设计平台需要智能化监控软件License资源并实现精细化管理，在保证科学分配计算资源的同时可以提供详细的License利用情况分析报表，进一步揭示计算资源瓶颈；

4、仿真设计平台应该实现与产品生命周期管理（PLM）系统进行信息双向交互功能，将CAE计算真正融入企业研发流程中，形成资源、数据、流程的高度整合与统一；

5、计算资源管理平台应该具备足够的弹性，可以在安全策略的指导之下促进企业私有资源、集团共享资源甚至公共计算资源的逐步整合与分层次利用。

浪潮为客户提议建设设计仿真一体化平台。设计仿真一体化平台需要安装集成多种办公和CAD/CAE制造业专业应用软件，通过将高性能计算技术和远程可视化技术结合起来，同时提供仿真计算、远程办公和三维设计服务，并且提供一套简单易用的方式，使CAD三维设计工作站和CAE仿真计算集群无缝对接起来，让企业领导、系统管理员和设计员工可以高效地管理和使用整个系统。

  
  浪潮设计仿真一体化平台架构

浪潮在自身HPC平台软件ClusterEngine的基础上进行专业定制开发，对接该客户的应用软件和业务流程，使得交付的仿真设计一体化平台可以整合现有的服务器和工作站资源，统一管理办公和专业软件工具、硬件资源，提供统一数字化业务平台，按需分配，高效利用现有资源；提供仿真计算、三维设计及办公能力，解决大型三维设计、仿真计算的需求，可以为设计工程师提供更好图形体验的远程可视化设计环境，包括二维和三维图形显示，满足各种软件工具使用的需要；同时实现了仿真资源统一调度管理，支持Windows/Linux各类环境，满足各类仿真计算多层次的需要；实现工作数据统一存储和管理，解决数据离散、不能有效共享的问题，实现数据协同和设计协同；最终实现从设计、到前处理、仿真求解计算、到后处理的设计仿真一体化和协同。

  
  设计仿真一体化协同处理流程

另外，浪潮提供的仿真设计一体化平台还可以收集平台上各种资源运行数据，进行综合统计分析，为数字设计集中应用平台科学运营和后期规划提供决策依据；可以提供简单高效的用户界面、实现良好的易用性，用易用的人机交互实现用户使用模式和工作模式的切换；同时通过三权分立等技术实现工作数据安全管理，防止资产丢失和泄露。

助力产业升级，推动“制造”向“质造”、“智造”发展

当前传统的制造业HPC解决方案，只是将自动化程度更高的CAE仿真分析阶段作了并行化处理，对于需要大量人机交互的前后处理阶段往往单独处理，这是一种设计与仿真分离的解决方案，在实际使用过程中，这种前后脱节的解决方案并不能从根本上提升用户设计仿真整体流程的效率，并且设计平台与仿真平台的前后分离，又导致出现了很多新的痛点，例如数据难题、资源难题、应用难题、管理难题等等。

在制造业加速升级的背景下，浪潮为客户定制开发的设计仿真一体化解决方案实现了CAD和CAE的底层打通和应用融合，推动了该企业向质量型效益型方向发展，帮助企业降本提质增效，提升产业链价值，进一步奠定了该企业在行业的龙头地位。浪潮也协助客户安装了多种商业仿真软件，并协助开发设计仿真APP，设计/仿真工程师可以通过仿真云桌面自由安装、使用设计仿真软件及APP，随时进行设计或仿真分析，并能够通过云仿真超算平台软件提交HPC作业，弹性条用HPC资源，进行高性能计算；设计阶段和仿真阶段流程上打通，无缝对接，平台也可实现对设计仿真数据进行统一的存储和管理，帮助企业提升了技术研发、创新能力以及数字化、智能化等新兴技术的应用能力。

浪潮也将继续仰望星空，脚踏实地，在聚焦前沿技术的同时，不忘初心，踏实服务，为企业客户提供更多更好的成熟技术支撑，切实助力产业升级。