北京2020年7月7日 /美通社/ -- 創新是製造業發展的核心，因此製造企業要從「製造」到「質造」，領先的設計研發能力是關鍵。隨著研發複雜度和精度要求的提升，以三維設計分析為主的CAD和以工程仿真計算為主的CAE都成了產品設計開發的靈魂支柱。為了進一步優化開發流程，縮短產品研發周期，研發工作中如何更好地融合CAD和CAE成為企業研發管理的重點。近期，浪潮為某家電製造企業先後建設了兩期高性能計算（HPC）集群，利用HPC平臺軟體ClusterEngine、遠程可視化等技術，打通了CAD和CAE應用，在製造業升級的大潮中，不斷為企業創新加速。
計算機技術加速企業設計、仿真開發
CAD（Computer Aided Design，即計算機輔助設計）指利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。
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複雜工程和產品的性能並進行優化工作，其目標是「用最低的成本模擬真實世界」。
它們在現代製造業的產品研發設計過程中起著越來越重要的作用，具有較強自主創新能力的先進企業，具備了通過廣泛運用仿真技術和系統優化來提高設計能力的特性。在產品研發過程中，一般基於系統工程方法，在系統概念設計、子系統功能分解等設計階段早期，以及部件詳細設計和集成驗證階段，廣泛地使用仿真技術驗證設計方案的可行性，注重多學科聯合仿真，從而提高產品質量和可靠性，並使得創新技術可以以較低風險應用在新型產品中。
如下是現代製造業工作的基本流程：
第一步CAD階段是建立所需問題的幾何模型，之後確定初始條件和邊界條件，劃分網格之後即可生成用於計算的數值模型，給定求解控制參數。
第二步CAE階段是仿真計算，是對硬體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，如果結果符合預期，那麼進行第三步，否則修改模型，重複第二步操作。
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，裝配後輸出對應的工藝文件。
第四步CAM階段是根據相應工藝文件裡面預設的工藝路線和工序內容，操控數控工具機進行生產加工，即模型製造工作。
伴隨計算機處理能力的日益提高，數值仿真已經成為眾多工業領域的企業或者研究機構的重要研發工具，對比傳統實驗手段，數值仿真可以幫助研發團隊縮短研發周期，優化產品設計，積累研發知識，節約研發成本，提升企業核心競爭力。
然而，眾多企業在產業轉型升級中凸顯出許多難題，如何有效管控CAD高端圖形計算設備、如何高效利用高性能計算集群節省硬體投資成本、如何將這些多樣化的CAE軟體資源打通、統一管理應用起來並進行動態調配及監控等，這也是當前CAE計算應用過程中需要解決的重大問題。
荊棘叢生：仿真和設計「脫節」，CAD/CAE雙劍未合璧
曾幾何時，我國製造業領域的許多產品都是參考行業研發，儘管產品製造生產速度快，但多數「知其然而不知其所以然」，大多數情況下略去了技術原理研究和系統方案優化迭代，產品難以持續提升和迭代。如在某大型產品生產研發中，行業標準的零件是什麼構造就只能按這構造去設計和生產，即便是企業想改進這個零部件也怕出現整體無法預知的的風險不敢用到產品中去，產品更何談升級改進。
欣喜的是，近十年來尋求產業升級的大部分企業逐漸採用起了仿真技術，但大多數製造企業整體CAE仿真整體還處於基礎應用階段，僅在部分學科領域得到應用，而且工程仿真僅起到協助工程設計參考和技術預研的作用，仿真軟硬體資源沒有充分利用。如企業的仿真計算僅較多地應用到了設計結果驗證和校核，處於事後分析的狀態，僅僅是傳統概念上應用CAE仿真計算，而沒有做到「仿真驅動設計」，沒有充分解放和釋放仿真計算生產力，沒有通過仿真不斷改進設計，設計完後再仿真再改進，形成良好閉環，不斷完善產品，形成核心產品競爭力。這就不得不提到CAD和CAE打通集成的問題，CAD和CAE在傳統企業用起來的確是問題多多，發揮不出雙劍合璧的效力。傳統的CAD/CAE相互獨立，會造成很多問題。比如信息孤島、數據不兼容、仿真結果無法驗證、眾多的數值仿真軟體資源和計算設備資源分散無序等，伴隨大規模數值仿真需求和資源的發展不可避免的呈現出以下矛盾：
1、 硬體資源利用無序且低效
硬體資源（圖形工作站、計算伺服器等）購置之後始終處於分散狀態，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、模型前後處理問題，造成計算和前後處理兩大業務的割裂，導致整個數位化設計仿真流程不暢通，也無法建立合理機制在項目團隊之間進行共享，計算任務基本靠研究人員個體之間協調，設計和仿真應用效率極為低下，同時因為硬體設備固有的淘汰周期而降低了硬體資源的投資回報率。
2、 軟體資源分配缺乏合理性
昂貴的數值仿真軟體購置之後分布安裝於各個工作站或者伺服器上，研究人員通過單機登錄方式進行圖形操作及計算，大規模計算需求經常會遇到硬體資源瓶頸而無法解決，數據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
許多工業客戶為了大規模仿真計算要求，從國外引進了昂貴的HPC調度管理軟體，但是由於易用性與靈活性問題，企業難以集成仿真應用軟體，也難以實現前後處理平臺和計算平臺的統一使用流程，系統難以推廣普及，用戶迫切需要一個簡單的、貼合仿真應用流程的資源管理平臺，可輕鬆使用仿真和計算資源。
4、 資源調度與項目匹配脫節
軟、硬體資源基本屬於「定點到人」式的靜態分配，利用頻度存在嚴重的不均衡性。每個人都配置高規格物理物理工作站，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後處理操作；IT部門缺乏有效管控手段，無法根據項目重要性、緊急程度進行動態、實時調配，從而無法實時的將軟硬體資源轉化為高效的研發生產力。
5、 數據流程安全保障手段弱
數據、流程安全已經成為研究機構的工作重點，可是分散式的IT資源管理成為安全工作的一大難點。大結果文件上傳、下載頻繁且耗時長，增加了數據安全的不可控性；沒有利用自動化的IT手段實時監管數據並規範流程，數值仿真工作沒有無縫集成進入總體研發流程，已有的研發經驗也無法積澱傳承和發展。
CAD設計和CAE仿真之間存在著巨大的場景差異和應用鴻溝，這給製造業升級帶來了巨大的困難，現階段產品的快速研發迭代，亟需CAD和CAE的融合，即在一個平臺上完成CAD/CAE，實現設計仿真的自動化，也就是CAD/CAE的無縫結合。
破題：建立設計仿真一體化平臺，集成打通CAD/CAE應用
企業花大價錢購買了高性能集群和工作站集群，核心就是要提升產品的研發能力，這涉及到CAD和CAE的融合打通和方便應用CAD/CAE設計仿真軟體/應用的一系列功能組件或業務流程，需求高效的設計仿真一體化平臺。這裡面最關鍵的就是是CAD和CAE的底層打通和集成，同時要輔助配套應用方面相關的功能組件，方面後續平臺的整體使用。
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徵與輪廓：
1、仿真設計平臺可以集成數值仿真軟體並進行調用接口封裝工作，將其從固定化軟體工具轉變成為實時在線的仿真計算服務資源（Web Service），方便集團內用戶即需即用；
2、仿真設計平臺必須封裝所有的HPC操作指令等複雜操作，普通計算用戶無需參加任何培訓即可獲得順暢愉悅的計算體驗，同時對自己的資源利用權限了如指掌；
3、仿真設計平臺需要智能化監控軟體License資源並實現精細化管理，在保證科學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、仿真設計平臺應該實現與產品生命周期管理（PLM）系統進行信息雙向交互功能，將CAE計算真正融入企業研發流程中，形成資源、數據、流程的高度整合與統一；
5、計算資源管理平臺應該具備足夠的彈性，可以在安全策略的指導之下促進企業私有資源、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設計仿真一體化平臺。設計仿真一體化平臺需要安裝集成多種辦公和CAD/CAE製造業專業應用軟體，通過將高性能計算技術和遠程可視化技術結合起來，同時提供仿真計算、遠程辦公和三維設計服務，並且提供一套簡單易用的方式，使CAD三維設計工作站和CAE仿真計算集群無縫對接起來，讓企業領導、系統管理員和設計員工可以高效地管理和使用整個系統。
浪潮在自身HPC平臺軟體ClusterEngine的基礎上進行專業定製開發，對接該客戶的應用軟體和業務流程，使得交付的仿真設計一體化平臺可以整合現有的伺服器和工作站資源，統一管理辦公和專業軟體工具、硬體資源，提供統一數位化業務平臺，按需分配，高效利用現有資源；提供仿真計算、三維設計及辦公能力，解決大型三維設計、仿真計算的需求，可以為設計工程師提供更好圖形體驗的遠程可視化設計環境，包括二維和三維圖形顯示，滿足各種軟體工具使用的需要；同時實現了仿真資源統一調度管理，支持Windows/Linux各類環境，滿足各類仿真計算多層次的需要；實現工作數據統一存儲和管理，解決數據離散、不能有效共享的問題，實現數據協同和設計協同；最終實現從設計、到前處理、仿真求解計算、到後處理的設計仿真一體化和協同。
另外，浪潮提供的仿真設計一體化平臺還可以收集平臺上各種資源運行數據，進行綜合統計分析，為數字設計集中應用平臺科學運營和後期規劃提供決策依據；可以提供簡單高效的用戶界面、實現良好的易用性，用易用的人機互動實現用戶使用模式和工作模式的切換；同時通過三權分立等技術實現工作數據安全管理，防止資產丟失和洩露。
助力產業升級，推動「製造」向「質造」、「智造」發展
當前傳統的製造業HPC解決方案，只是將自動化程度更高的CAE仿真分析階段作了並行化處理，對於需要大量人機互動的前後處理階段往往單獨處理，這是一種設計與仿真分離的解決方案，在實際使用過程中，這種前後脫節的解決方案並不能從根本上提升用戶設計仿真整體流程的效率，並且設計平臺與仿真平臺的前後分離，又導致出現了很多新的痛點，例如數據難題、資源難題、應用難題、管理難題等等。
在製造業加速升級的背景下，浪潮為客戶定製開發的設計仿真一體化解決方案實現了CAD和CAE的底層打通和應用融合，推動了該企業向質量型效益型方向發展，幫助企業降本提質增效，提升產業鏈價值，進一步奠定了該企業在行業的龍頭地位。浪潮也協助客戶安裝了多種商業仿真軟體，並協助開發設計仿真APP，設計/仿真工程師可以通過仿真雲桌面自由安裝、使用設計仿真軟體及APP，隨時進行設計或仿真分析，並能夠通過雲仿真超算平臺軟體提交HPC作業，彈性條用HPC資源，進行高性能計算；設計階段和仿真階段流程上打通，無縫對接，平臺也可實現對設計仿真數據進行統一的存儲和管理，幫助企業提升了技術研發、創新能力以及數位化、智能化等新興技術的應用能力。
浪潮也將繼續仰望星空，腳踏實地，在聚焦前沿技術的同時，不忘初心，踏實服務，為企業客戶提供更多更好的成熟技術支撐，切實助力產業升級。