CAD、CAE技術的相互融合、相互滲透已成了工業用戶一種自發的有效需求。在新型CAD、CAE一體化技術產品的幫助下，工業化研發、設計實現了從經驗設計到計算機輔助設計的轉變。CAD、CAE一體化技術的出現，使得工業流程得到了縮減，研發、設計過程基本融合，可大大縮短產品周期，提高產品質量。

　　曙光公司最新推出的PHPC，不僅能夠滿足大規模計算的要求，而且在圖形顯示方面有很好的支持，能夠很好地實現一體化解決方案。 

　　本文詳細描述了CAD、CAE一體化發展的發展和趨勢，給出了了基于曙光PHPC的解決方案，通過具體的實現過程展示了一體化為工業界帶來的研發、設計過程的全新理念。通過詳細的分析可以看出，基于曙光PHPC的解決方案，不僅給用戶帶來高性能的計算服務，而且可以很好地控制整體擁有成本。

　　關鍵詞：

　　PHPC，CAD，CAE，一體化，協同環境

　　編寫人員：

　　陳偉

　　技術支持中心 解決方案中心 售前工程

　　1. CAD、CAE一體化

　　計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，計算機輔助設計主要是用于研究如何用計算機及其外圍設備和圖形輸入輸出設備來幫助人們進行工程和產品設計的技術，它是隨著計算機及其外圍設備、圖形設備以及軟件技術的發展而發展的。

　　CAD在現代工業中的應用主要包括以下幾個方面：

　　（1）制造業中的應用。CAD技術已在制造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等制造業應用最為廣泛、深入。

　　（2）工程設計中的應用。CAD技術在工程領域中的應用包括建筑設計、結構設計、設備設計、城市規劃、市政管線設計等。

　　（3）電氣和電子電路方面的應用。CAD技術最早曾用于電路原理圖和布線圖的設計工作。

　　計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，CAE軟件是由計算力學、計算數學、結構動力學、數字仿真技術、工程管理學與計算機技術相結合，而形成一種綜合性、知識密集型信息產品。在近20年來市場需求的推動下，CAE技術有了長足的發展，它作為一項跨學科的數值模擬分析技術，越來越受到科技界和工程界的重視。

　　汽車行業是CAE應用最多、技術發展最成熟的領域。發動機方面可進行其性能的計算機估計，燃燒過程的計算機模擬，冷卻、傳熱的有限元分析、缸體等結構的有限元強度分析；車身方面，可進行車身結構動態、靜態有限元分析，車身外型空氣動力學計算機模擬，車身噪聲分析；在底盤方面，可進行車架有限元分析，懸架機構有限元分析，變速器、傳動軸及車橋等結構強度的有限元分析；整車方面，可進行汽車平順性，操縱穩定性的計算機模擬及撞車的有限元模擬。通過采用CAE技術，極大地縮短了產品的研制周期，減少了開發費用，而且也有利于通過優化等手段開發出性能更為優越的汽車整車和零部件。

　　CAD、CAE的起源不同，在現代工業中所實現的角色也不一致。CAD注重產品的外形特征，以提供圖形圖像、數字化模型為主，而CAE更注重的是產品物性特征問題，雖然也關注產品外型對其他性能的影響，但研究的對象是產品物理屬性而不是外部特征。然而，隨著現代工業信息化的逐步實現，將研發、設計、生產相互割裂開來，會產生重復性投入，同時，相互割裂的各個環節，也會降低數字化工業流程的效率。例如，在汽車制造工業中，常規的流程是研發、設計、驗證、生產，采用了CAD、CAE技術以后，通過數字化建模、仿真試驗等方法，可大大減小各個環節的時間。然而，這個流程不是單向的流水線，而是一個反復的過程，在驗證階段發現的問題，都需要返回到設計階段進行修改，而流程在各環節間的流轉，往往是效率低下、信息共享困難，難以體現數字化流程的優勢。在這種情況下，CAD、CAE技術的相互融合、相互滲透就成了工業用戶一種自發的有效需求。在新型CAD、CAE一體化技術產品的幫助下，工業化研發、設計實現了從經驗設計到計算機輔助設計的轉變。設計人員實現了從二維制圖到三維設計的轉變。有限元分析人員可以在結構件的三維實體幾何圖形上比較方便地用前處理劃分網格，建立有限元模型，在計算機求解完成后用后處理顯示計算結果，計算結果的可視化（動畫顯示）使計算結果一目了然。有限元分析和前、后處理功能不斷發展和完善，越來越自動化和智能化，有限元分析計算結果的精度也在不斷提高。CAE與CAD同步，CAD為CAE提供數字化特征模型，CAE指導CAD，CAE為CAD提供依據。CAD、CAE一體化技術的出現，使得工業流程得到了縮減，研發、設計過程基本融合，可大大縮短產品周期，提高產品質量。

　　ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司開發的新一代前后處理環境，定為于一個CAE協同平臺，該環境提供了與CAD軟件及設計流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多軟件模塊并實現了很多常用功能，使產品開發中能快速應用CAE技術進行分析，從而減少產品設計周期、提高產品附加價值。

　　（1） 與CAD軟件的雙向關連性。AWE通過獨特的架構與CAD系統中的實體及曲面模型雙向連結，具有更高的CAD幾何導入成功率，當CAD模型變化時，不需對所施加的載荷和約束重新定義；AWE與CAD系統的雙向相關性還意味著，通過AWE的參數管理可方便地控制CAD模型的參數，從而提高設計效率；AWE的這一功能，還可對多個設計方案進行分析，自動修改每一設計方案的幾何模型。

　　（2） 完全參數化分析環境。CAD軟件采用參數設計，對提高設計效率發揮了極大的作用，僅僅需要簡單的改變幾個數值，即可完成多種設計方案。AWE在CAE軟件中率先引入這一技術，可同時控制CAD的幾何參數和材料、力方向、溫度等分析參數，這一創新使得AWE與多種CAD軟件具有真正的雙向關連，通過交互式的參數管理可方便地輸入多種設計方案，只要點擊一下鼠標，參數可自動傳回CAD軟件，自動修改幾何模型。

　　（3） 自動化、智能化分析過程。ANSYS Workbench能夠自適應網格劃分，對于精度要求高的區域會自動調整網格密度；智能化網格劃分，生成形狀、特性較好的元素，保證網格的高質量；自動收斂技術，是自動迭代過程，通過自適應網格劃分以使指定的結果達到要求的精度；自動求解器選擇，根據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

　　隨著工業界自主創新的不斷深入，CAD、CAE領域的軟件、硬件環境和需求發生了顯著的變化。一方面，用戶對CAD、CAE技術的信任度和依賴性越來越高，CAD、CAE技術的應用范圍和深度都在不斷拓展、延伸，計算的規模和復雜度正迅速膨脹，對計算機性能的要求也相應地大幅度提高；另一方面，由于CAD、CAE軟件的作用差別和發展過程的差異性，其對硬件的要求不完全一致，對于CAE，其要求的計算性能較高，而對于CAD軟件，則不僅要求單機速度，同時針對個人使用，對圖形顯示的要求相當的高。

　　曙光公司最新推出的PHPC100個人高性能計算機，不僅能夠滿足大規模計算的要求，而且在圖形顯示方面有很好的支持，能夠很好地實現CAD、CAE解決方案。作為是曙光公司專為辦公室應用環境設計的雙核/四核服務器產品，不僅在計算性能方面超越了傳統機架式服務器，具有高穩定、高可用、高擴展、高密度、高性能的特點，而且把用戶的使用和體驗放在了更重要的高度，使用戶得到的不僅僅是高效的生產效率，同時帶給用戶全新的使用感受，在辦公環境中輕松實現高性能服務器和高端圖形工作站的完美組合。

　　曙光PHPC100個人高性能計算機采用業界領先的模塊化設計理念，在一個機箱內集成了電源模塊、散熱模塊、通訊模塊，同時做到統一的智能管理，大大降低了管理成本和維護的復雜度； 高效的計算模塊，在一個節點之內集成了2個四核處理器，單個節點上可實現高效率的smp計算；先進的模塊設計理念，具有極高的可擴展性，可動態地隨需配置；內置先進的千兆網絡、Infiniband交換網絡，客戶可以快速、簡便地部署高效的集群環境；高密度、低噪音、低功耗的設計，使得服務器對工作環境的要求降到了最低，可部署在個人辦公環境，實現服務器的個人化；創造性地引入高速IO擴展插槽，可實現從高性能服務器到高端圖形工作站的轉換，實現圖形工作站、服務器、集群的一體化。

　　利用曙光PHPC100個人高性能計算機的硬件平臺，搭配行業內領先的ANSYS Workbench Environment，可為用戶提供一個滿足常規應用要求的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字化CAD模型，而且在整個過程中保持參數化，任何時刻都能對幾何模型進行更改。圖b中，通過Workbench的智能化分析功能，可以進行接觸對的自動檢測，并將之添加到分析中。圖c中，通過Workbench的自動網格劃分功能，可以很好地實現網格的自動劃分，對于有較高要求的網格，完全可以通過人工干預的方式實現網格質量的修改。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，完成基本設置后，提交CAE計算，便可得到圖e的分析結果，也可通過報告生成器完成詳實的分析報告。

　　通過以上分析過程可以發現，基于曙光PHPC100個人高性能計算機的一體化CAD、CAE解決方案，大大簡化了產品設計、分析、驗證過程的流程，使得CAD、CAE成為一個同步進行、及時反饋、隨時校正的有機過程，可大大提高產品設計、分析過程的效率。另外，分析過程中，幾何模型、載荷等都能夠實現完全的參數化，通過交互式的參數管理可方便地輸入多種設計方案，對相似的案例進行局部修改便可完成一個新的分析過程，也使得技術人員可以快速完成大量的設計、分析工作。

　　3.方案優勢

　　曙光PHPC100個人高性能計算機提供的一體化解決方案，不僅給用戶提供了高性能的計算資源，同時也為后續使用和維護提供了一整套更經濟、更高效的服務。隨著軟硬件技術在摩爾定律的推動下不斷前進，計算資源的實現已不是問題，高效的集群技術更是實現了硬件成本的直線下降。隨著計算資源的逐漸膨脹，用戶的總體擁有成本問題逐漸浮出水面。基于曙光PHPC100個人高性能計算機的一體化解決方案能夠解決這一系列的問題。

　　（1）應用軟件

　　對于用戶而言，實現硬件價值的最好方式是全面應用，即通過應用軟件把計算資源轉化為計算結果。然而往往用戶的硬件采購往往是成本投入的開始，應用軟件的價格居高不下，某些情況下甚至單個軟件的價格超過了硬件價格，這時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，需要對新開發產品進行仿真驗證，那么整個流程需要各種軟件的支持，首先需要CAD軟件進行模型的建立，然后倒入到前處理軟件進行網格化分，再倒入到CAE軟件進行分析，最后通過后處理軟件再實現分析結果處理。如果各個環節的軟件分別采購的話，總的軟件價格數額十分驚人。另外一方面，種類繁多的專業應用軟件需要技術人員進行培訓和練習才能達到熟練使用的目的，這部分的開支對企業而言，也是十分龐大的。

　　采用基于曙光PHPC100個人高性能計算機的一體化解決方案，通過相關的CAD、CAE一體化軟件，可以輕松實現企業信息化的ALL-IN-ONE。對于其他的硬件系統，由于其功能、作用的限制，雖然可以實現軟件的一體化，但仍然無法做到硬件方面的一體化來實現軟件的功能，可見曙光PHPC100個人高性能計算機能大幅降低總體成本。

　　（2）能源消耗

　　隨著國際能源環境的日益緊張，能源消耗的問題越來越得到企業的重視。服務器的能耗已經占用了大量企業投資。巨額的企業能源和冷卻系統的電力消耗和資金投入已成為嚴峻問題。研究數據表明，在2007年中國用于服務器的電源和冷卻的總開支達到了驚人的19億美元。僅在北京和廣東兩個地區，這部分的投入就達到3.2億美元和3.6億美元，占到全國的35.8％。除了服務器本身的巨大消耗，整個系統對電能和其他必要能源的消耗還不止于此，存儲、網絡、甚至是制冷、空調、風扇和照明同樣加重了整個企業的電力消耗。

　　通過在一個機箱內高密度分布多個計算模塊，可以運算能力的成倍擴展。曙光PHPC100個人高性能計算機提供的節點比機架式服務器或者PC服務器的功耗低得多，顯而易見，可以實現更高的能源性價比；模塊化設計保證了高擴展性，用戶可隨計算需要隨時動態調整配置，減少不必要的能源消耗；此外，模塊化的設計，使得曙光PHPC100個人高性能計算機內部能夠實現網絡、散熱、電源等方面的共享，進一步降低了能源消耗；另外，曙光PHPC100個人高性能計算機不需要單獨的機房，只需布置在平常的辦公環境，使用普通市電即可，不僅節約了機房建設成本，同時也免除了機房維護和運行消耗。對于有更高散熱和噪音控制要求的用戶，曙光PHPC100個人高性能計算機可選配水冷設備。

　　（3）日常維護

　　服務器的可擴展性、易用性、可管理性、可靠性正日益受到用戶的重視，這也是曙光服務器所追求的“SUMA”標準。曙光PHPC100個人高性能計算機創新性地將計算、網絡及管理都通過模塊化方式集成為一站式系統使用戶能靈活、簡便地將多類硬件集成，從繁重維護轉為便于擴展與管理，解決了專業維護的難題。核心部件過模塊化設計，隨需擴展，體現出了產品的靈活性，基于雙路四核的計算模塊、模塊化網絡交換機、風扇及電源都可靈活組織。

　　模塊化設計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工作。同時，模塊化設計也就意味著無線纜設計，整個系統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，無線纜設計也大大減少了線纜因各種原因導致的故障，也就使得整個系統整體的可靠性得到了很大的提高。

　　曙光PHPC100個人高性能計算機的人性化設計更好地體現在其可管理性方面，雙冗余的管理模塊，可實現共享USB功能、KVM切換、計算模塊狀態、故障定位、開關機等全方位管理控制監視功能；更可選配KVM Over IP功能模塊，實現管理維護的網絡可視化。

　　總結

　　曙光PHPC100個人高性能計算機能夠滿足用戶的高性能計算的需求，同時提供高質量的圖形顯示能力，配合相關軟件，能夠搭建完美的CAD、CAE一體化平臺，給用戶帶來高性能計算機的效率與穩定；在應用軟件、能源消耗、日常維護等方面體現的絕對優勢，大大降低了企業的總體擁有成本，可助力中小型企業實現高性能、低成本的信息化。

文章作者：楊麗