曙光PHPC的CAD、CAE一体化解决方案

摘要：CAD、CAE技术的相互融合、相互渗透已成了工业用户一种自发的有效需求。在新型CAD、CAE一体化技术产品的帮助下，工业化研发、设计实现了从经验设计到计算机辅助设计的转变。CAD、CAE一体化技术的出现，使得工业流程得到了缩减，研发、设计过程基本融合，可大大缩短产品周期，提高产品质量。

   曙光公司最新推出的PHPC，不仅能够满足大规模计算的要求，而且在图形显示方面有很好的支持，能够很好地实现一体化解决方案。

   本文详细描述了CAD、CAE一体化发展的发展和趋势，给出了了基于曙光PHPC的解决方案，通过具体的实现过程展示了一体化为工业界带来的研发、设计过程的全新理念。通过详细的分析可以看出，基于曙光PHPC的解决方案，不仅给用户带来高性能的计算服务，而且可以很好地控制整体拥有成本。

关键词：PHPC，CAD，CAE，一体化，协同环境

   1. CAD、CAE一体化

    计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，计算机辅助设计主要是用于研究如何用计算机及其外围设备和图形输入输出设备来帮助人们进行工程和产品设计的技术，它是随着计算机及其外围设备、图形设备以及软件技术的发展而发展的。

    CAD在现代工业中的应用主要包括以下几个方面：

（1）制造业中的应用。CAD技术已在制造业中广泛应用，其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。

（2）工程设计中的应用。CAD技术在工程领域中的应用包括建筑设计、结构设计、设备设计、城市规划、市政管线设计等。

（3）电气和电子电路方面的应用。CAD技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。

   计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。在近20年来市场需求的推动下，CAE技术有了长足的发展，它作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。

    汽车行业是CAE应用最多、技术发展最成熟的领域。发动机方面可进行其性能的计算机估计，燃烧过程的计算机模拟，冷却、传热的有限元分析、缸体等结构的有限元强度分析；车身方面，可进行车身结构动态、静态有限元分析，车身外型空气动力学计算机模拟，车身噪声分析；在底盘方面，可进行车架有限元分析，悬架机构有限元分析，变速器、传动轴及车桥等结构强度的有限元分析；整车方面，可进行汽车平顺性，操纵稳定性的计算机模拟及撞车的有限元模拟。通过采用CAE技术，极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。

   CAD、CAE的起源不同，在现代工业中所实现的角色也不一致。CAD注重产品的外形特征，以提供图形图像、数字化模型为主，而CAE更注重的是产品物性特征问题，虽然也关注产品外型对其他性能的影响，但研究的对象是产品物理属性而不是外部特征。然而，随着现代工业信息化的逐步实现，将研发、设计、生产相互割裂开来，会产生重复性投入，同时，相互割裂的各个环节，也会降低数字化工业流程的效率。例如，在汽车制造工业中，常规的流程是研发、设计、验证、生产，采用了CAD、CAE技术以后，通过数字化建模、仿真试验等方法，可大大减小各个环节的时间。然而，这个流程不是单向的流水线，而是一个反复的过程，在验证阶段发现的问题，都需要返回到设计阶段进行修改，而流程在各环节间的流转，往往是效率低下、信息共享困难，难以体现数字化流程的优势。在这种情况下，CAD、CAE技术的相互融合、相互渗透就成了工业用户一种自发的有效需求。在新型CAD、CAE一体化技术产品的帮助下，工业化研发、设计实现了从经验设计到计算机辅助设计的转变。设计人员实现了从二维制图到三维设计的转变。有限元分析人员可以在结构件的三维实体几何图形上比较方便地用前处理划分网格，建立有限元模型，在计算机求解完成后用后处理显示计算结果，计算结果的可视化（动画显示）使计算结果一目了然。有限元分析和前、后处理功能不断发展和完善，越来越自动化和智能化，有限元分析计算结果的精度也在不断提高。CAE与CAD同步，CAD为CAE提供数字化特征模型，CAE指导CAD，CAE为CAD提供依据。CAD、CAE一体化技术的出现，使得工业流程得到了缩减，研发、设计过程基本融合，可大大缩短产品周期，提高产品质量。

   ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境，定为于一个CAE协同平台，该环境提供了与CAD软件及设计流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能，使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析，从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。

   （1） 与CAD软件的双向关连性。AWE通过独特的架构与CAD系统中的实体及曲面模型双向连结，具有更高的CAD几何导入成功率，当CAD模型变化时，不需对所施加的载荷和约束重新定义；AWE与CAD系统的双向相关性还意味着，通过AWE的参数管理可方便地控制CAD模型的参数，从而提高设计效率；AWE的这一功能，还可对多个设计方案进行分析，自动修改每一设计方案的几何模型。

   （2） 完全参数化分析环境。CAD软件采用参数设计，对提高设计效率发挥了极大的作用，仅仅需要简单的改变几个数值，即可完成多种设计方案。AWE在CAE软件中率先引入这一技术，可同时控制CAD的几何参数和材料、力方向、温度等分析参数，这一创新使得AWE与多种CAD软件具有真正的双向关连，通过交互式的参数管理可方便地输入多种设计方案，只要点击一下鼠标，参数可自动传回CAD软件，自动修改几何模型。

   （3） 自动化、智能化分析过程。ANSYS Workbench能够自适应网格划分，对于精度要求高的区域会自动调整网格密度；智能化网格划分，生成形状、特性较好的元素，保证网格的高质量；自动收敛技术，是自动迭代过程，通过自适应网格划分以使指定的结果达到要求的精度；自动求解器选择，根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解。

    2.基于曙光PHPC的解决方案 

    随着工业界自主创新的不断深入，CAD、CAE领域的软件、硬件环境和需求发生了显著的变化。一方面，用户对CAD、CAE技术的信任度和依赖性越来越高，CAD、CAE技术的应用范围和深度都在不断拓展、延伸，计算的规模和复杂度正迅速膨胀，对计算机性能的要求也相应地大幅度提高；另一方面，由于CAD、CAE软件的作用差别和发展过程的差异性，其对硬件的要求不完全一致，对于CAE，其要求的计算性能较高，而对于CAD软件，则不仅要求单机速度，同时针对个人使用，对图形显示的要求相当的高。

    曙光公司最新推出的PHPC100个人高性能计算机，不仅能够满足大规模计算的要求，而且在图形显示方面有很好的支持，能够很好地实现CAD、CAE解决方案。作为是曙光公司专为办公室应用环境设计的双核/四核服务器产品，不仅在计算性能方面超越了传统机架式服务器，具有高稳定、高可用、高扩展、高密度、高性能的特点，而且把用户的使用和体验放在了更重要的高度，使用户得到的不仅仅是高效的生产效率，同时带给用户全新的使用感受，在办公环境中轻松实现高性能服务器和高端图形工作站的完美组合。

    曙光PHPC100个人高性能计算机采用业界领先的模块化设计理念，在一个机箱内集成了电源模块、散热模块、通讯模块，同时做到统一的智能管理，大大降低了管理成本和维护的复杂度； 高效的计算模块，在一个节点之内集成了2个四核处理器，单个节点上可实现高效率的smp计算；先进的模块设计理念，具有极高的可扩展性，可动态地随需配置；内置先进的千兆网络、Infiniband交换网络，客户可以快速、简便地部署高效的集群环境；高密度、低噪音、低功耗的设计，使得服务器对工作环境的要求降到了最低，可部署在个人办公环境，实现服务器的个人化；创造性地引入高速IO扩展插槽，可实现从高性能服务器到高端图形工作站的转换，实现图形工作站、服务器、集群的一体化。

   利用曙光PHPC100个人高性能计算机的硬件平台，搭配行业内领先的ANSYS Workbench Environment，可为用户提供一个满足常规应用要求的CAD、CAE一体化解决方案。

   一个完整的ANSYS Workbench分析过程如下所示。

    图a中，通过图形化操作界面，可方便地建立所需要的数字化CAD模型，而且在整个过程中保持参数化，任何时刻都能对几何模型进行更改。图b中，通过Workbench的智能化分析功能，可以进行接触对的自动检测，并将之添加到分析中。图c中，通过Workbench的自动网格划分功能，可以很好地实现网格的自动划分，对于有较高要求的网格，完全可以通过人工干预的方式实现网格质量的修改。图d中，通过Workbench的智能化分析功能，可以很方便地添加载荷、约束等边界条件，完成基本设置后，提交CAE计算，便可得到图e的分析结果，也可通过报告生成器完成详实的分析报告。

   通过以上分析过程可以发现，基于曙光PHPC100个人高性能计算机的一体化CAD、CAE解决方案，大大简化了产品设计、分析、验证过程的流程，使得CAD、CAE成为一个同步进行、及时反馈、随时校正的有机过程，可大大提高产品设计、分析过程的效率。另外，分析过程中，几何模型、载荷等都能够实现完全的参数化，通过交互式的参数管理可方便地输入多种设计方案，对相似的案例进行局部修改便可完成一个新的分析过程，也使得技术人员可以快速完成大量的设计、分析工作。

    3.方案优势 

    曙光PHPC100个人高性能计算机提供的一体化解决方案，不仅给用户提供了高性能的计算资源，同时也为后续使用和维护提供了一整套更经济、更高效的服务。随着软硬件技术在摩尔定律的推动下不断前进，计算资源的实现已不是问题，高效的集群技术更是实现了硬件成本的直线下降。随着计算资源的逐渐膨胀，用户的总体拥有成本问题逐渐浮出水面。基于曙光PHPC100个人高性能计算机的一体化解决方案能够解决这一系列的问题。

   （1）应用软件

    对于用户而言，实现硬件价值的最好方式是全面应用，即通过应用软件把计算资源转化为计算结果。然而往往用户的硬件采购往往是成本投入的开始，应用软件的价格居高不下，某些情况下甚至单个软件的价格超过了硬件价格，这时候就必须把软件成本慎重考虑了。

    例如，对于一般的中小企业，需要对新开发产品进行仿真验证，那么整个流程需要各种软件的支持，首先需要CAD软件进行模型的建立，然后倒入到前处理软件进行网格化分，再倒入到CAE软件进行分析，最后通过后处理软件再实现分析结果处理。如果各个环节的软件分别采购的话，总的软件价格数额十分惊人。另外一方面，种类繁多的专业应用软件需要技术人员进行培训和练习才能达到熟练使用的目的，这部分的开支对企业而言，也是十分庞大的。

   采用基于曙光PHPC100个人高性能计算机的一体化解决方案，通过相关的CAD、CAE一体化软件，可以轻松实现企业信息化的ALL-IN-ONE。对于其他的硬件系统，由于其功能、作用的限制，虽然可以实现软件的一体化，但仍然无法做到硬件方面的一体化来实现软件的功能，可见曙光PHPC100个人高性能计算机能大幅降低总体成本。

   （2）能源消耗

    随着国际能源环境的日益紧张，能源消耗的问题越来越得到企业的重视。服务器的能耗已经占用了大量企业投资。巨额的企业能源和冷却系统的电力消耗和资金投入已成为严峻问题。研究数据表明，在2007年中国用于服务器的电源和冷却的总开支达到了惊人的19亿美元。仅在北京和广东两个地区，这部分的投入就达到3.2亿美元和3.6亿美元，占到全国的35.8％。除了服务器本身的巨大消耗，整个系统对电能和其他必要能源的消耗还不止于此，存储、网络、甚至是制冷、空调、风扇和照明同样加重了整个企业的电力消耗。

    通过在一个机箱内高密度分布多个计算模块，可以运算能力的成倍扩展。曙光PHPC100个人高性能计算机提供的节点比机架式服务器或者PC服务器的功耗低得多，显而易见，可以实现更高的能源性价比；模块化设计保证了高扩展性，用户可随计算需要随时动态调整配置，减少不必要的能源消耗；此外，模块化的设计，使得曙光PHPC100个人高性能计算机内部能够实现网络、散热、电源等方面的共享，进一步降低了能源消耗；另外，曙光PHPC100个人高性能计算机不需要单独的机房，只需布置在平常的办公环境，使用普通市电即可，不仅节约了机房建设成本，同时也免除了机房维护和运行消耗。对于有更高散热和噪音控制要求的用户，曙光PHPC100个人高性能计算机可选配水冷设备。

   （3）日常维护

    服务器的可扩展性、易用性、可管理性、可靠性正日益受到用户的重视，这也是曙光服务器所追求的“SUMA”标准。曙光PHPC100个人高性能计算机创新性地将计算、网络及管理都通过模块化方式集成为一站式系统使用户能灵活、简便地将多类硬件集成，从繁重维护转为便于扩展与管理，解决了专业维护的难题。核心部件过模块化设计，随需扩展，体现出了产品的灵活性，基于双路四核的计算模块、模块化网络交换机、风扇及电源都可灵活组织。

    模块化设计也使得日常检查和更换操作简单化，只需简单的插拔即可完成日常的维护工作。同时，模块化设计也就意味着无线缆设计，整个系统全部采用集成电路板，无任何的线缆，避免了线缆间的电磁干扰；同时，无线缆设计也大大减少了线缆因各种原因导致的故障，也就使得整个系统整体的可靠性得到了很大的提高。

    曙光PHPC100个人高性能计算机的人性化设计更好地体现在其可管理性方面，双冗余的管理模块，可实现共享USB功能、KVM切换、计算模块状态、故障定位、开关机等全方位管理控制监视功能；更可选配KVM Over IP功能模块，实现管理维护的网络可视化。

    总结

    曙光PHPC100个人高性能计算机能够满足用户的高性能计算的需求，同时提供高质量的图形显示能力，配合相关软件，能够搭建完美的CAD、CAE一体化平台，给用户带来高性能计算机的效率与稳定；在应用软件、能源消耗、日常维护等方面体现的绝对优势，大大降低了企业的总体拥有成本，可助力中小型企业实现高性能、低成本的信息化。