“神工坊”——高性能计算技术赋能，助力自主工程仿真跨越发展！

华为芯片的断供危机，让更多人关注到了国产自研产品发展的艰难与紧迫。芯片领域之外，工业软件也一直是发生“卡脖子”问题的“重灾区”。今天，我们聚焦工业软件皇冠上最亮的明珠——CAE软件。

CAE软件介绍

CAE（Comouter Aided Engineering），即计算机辅助工程，是广泛应用于工业制造业产品研发设计过程中的一种技术软件。CAE以实体建模为基础，在产品设计阶段开始，通过模拟产品在结构强度、热传导、刚度、运动学等方面的工作状态和表现，为产品功能、性能的可用性和可靠性提供依据，从而实现产品设计的优化。目前CAE已广泛应用于汽车、航空航天、电子装备、国防军工等领域。

以航空行业为例，航空结构分析CAE软件作为航空装备研制过程中不可或缺的工具之一，已经融入到航空装备设计、制造、试验和服役等全生命周期中，应用于结构方案优化、响应分析、工艺仿真、强度评估和修理方案评价等多个应用场景，用于解决装备研制过程中面临的结构完整性问题。

 

具体来说，在飞行器的概念设计阶段需要建立结构的低保真度数字模型，进行静强度和气动弹性的分析，得到结构的传力路径，为结构方案选型提供依据；在初步设计阶段需要建立中等保真度模型，进行静强度、动强度、气动弹性、疲劳强度和优化设计，确定基本尺寸分布；在详细设计阶段需要建立高保真度模型，进行关键区域连接强度、细节疲劳寿命和工艺符合性分析；在试验验证阶段需要建立虚拟试验模型，进行虚拟加载和虚拟测量，预估试验中出现的各种情况；在制造装配阶段需要建立超差和装配数字模型，来保证加工和大部件对接的精度；在试飞服役阶段需要建立虚拟试飞模型，进行故障复现模拟和关键部位寿命评估。

上述模型的建立与分析均需依赖CAE软件来实现，它是装备研制的根本保障，对于提升装备性能、缩短研制周期、降低研制成本起到了关键作用。

CAE软件自主可控的重要性

CAE软件是进行创新技术研究和攻关的重要工具。数值模拟与理论研究、物理实验并称“创新三架马车”，CAE软件作为重要的数值模拟工具，可以辅助科学家、工程师揭示物理实验手段尚不能揭示或很难揭示的科学规律。此外，CAE软件还可为新材料和微结构（纳米材料、碳纤维）设计、新结构（仿生结构、柔性结构和智能结构）设计、新技术（虚拟试验技术）研究提供可靠的依托平台。

CAE软件是实现智能制造的关键支撑。在数字化方面，CAE软件是未来航空装备仿真模型校核与验证(V＆V)及数字化验证流程中的基础手段；在网络化方面，CAE软件是实现未来“5G＋制造”的关键工具，通过未来软件提供的云仿真、模型修正、数据拟合、可信度分析等技术手段，可实现结构平台的全状态数据实时收集和结构的实时评估，支撑智能制造的网络化实现；在智能化方面，CAE软件通过构建系列包含智能特征的数字化模型，建立物理空间与数字空间的实时数据映射和反馈预测优化，实现参数智能匹配、实时智能判据和智能预警，支撑工业制造中的智能化特征转型。

自主CAE软件是实现装备研制自主可控的必要手段。目前国内使用的CAE软件，绝大部分依赖进口，整体对外依存度较高；国内现有的CAE软件，在功能覆盖性、分析规模和效率、架构开放性和应用可靠性方面与国外还存在一定差距，无法完全替代国外软件，一旦遭到国外全面封锁，中国装备研制将面临着技术停滞的巨大风险。

此外，CAE软件是工业经验与知识的载体，完全依赖国外软件无法将中国装备研发的经验、大量工业数据与知识积累到软件中，造成大量浪费，不利于持续发展和创新。因此，在装备全面创新研制的新时代，实现CAE软件的自主可控，对推动装备创新升级和保障装备研制体系安全具有重要的战略意义。

“神工坊”高性能仿真应用研发服务

面对时代赋予的机遇和挑战，国家超级计算无锡中心“神工坊”团队，秉持“算力赋能、协同创新”的理念，提供高性能仿真应用研发服务，基于客户需求，以商业软件、开源软件及自研软件为基础，针对客户实际工作场景，开发定制化高性能仿真应用，赋予其高保真仿真能力的同时，具备友好的用户使用体验。

仿真的本质是物理建模与模拟计算，其底层主要的数学方法是控制方程数值离散和求解。基于国产超级计算机，“神工坊”团队开发了一系列数值计算方法库，以超大规模非结构代数求解库UNAP为代表。

代数求解库UNAP的组织架构

UNAP根据国产超算异构处理器异构特点，开发了计算/通信混合的迭代算法，根据异构众核处理器浮点计算性能高而带宽受限的特点，通过增加计算比例来降低全局集通信代价的计算方法；集成了高可扩展矩阵预处理方法，结合异构众核处理器多级并行的特点和稀疏矩阵迭代解法的需求，初步探索了各种预处理方法在众核异构平台上的并行实现技术。目前UNAP已经在神威·太湖之光上实现了对美国国家实验室Hypre、PETSc等代数求解库的国产替代。

这些自主可控的中间件构成了支撑工业高保真数值模拟的底层支撑，并可以自动实现高保真数值模拟工业应用在“神威·太湖之光”超级计算机上的适配。

该技术与传统手动适配和并行优化技术相比，实现了并行优化和架构适配的自动化，大幅降低研发的难度，缩短研发周期，大大提高工业仿真应用的高性能改造研发的效率和质量，实现自主可控高性能仿真应用的快速开发和高效实现。

“神工坊”产品结构

“神工坊”仿真应用定制案例展示

1、ConRodSim

此应用是通过与汽车零部件企业合作，针对汽零常用部件开发定制化仿真APP，根据初始几何外形、约束和目标参数，自动化实现零件的形状优化，实现企业降本增效目标。

ConRodSim界面

2、TankSim

此应用是与江苏物流装备企业合作，针对其罐箱运输过程中，箱内液体晃动情况及液体冲击对箱壁结构损伤等实际场景，开发定制化仿真APP，实现两相流及流固耦合的联合仿真。

TankSim界面

3、WTSim

此应用是与风电整机企业合作，针对风场风力机在非定常入流情况下，整机流场及受力分布情况，开发定制化仿真APP，实现从网格划分到后处理的全流程仿真作业。

WTSim界面

4、IceSIM

此应用是与集成电路企业合作，针对复杂集成电路散热仿真周期长，精度低的问题，开发定制化的散热仿真APP，保留商软的物理模型的同时，具备超大规模并行仿真的能力，大大降低了仿真时长，提高产品设计开发效率。

IceSIM界面

结语

近年来，国家陆续出台了多项支持工业软件发展的重大政策，为中国自主工业软件发展营造了良好的政策环境，同时大量新型装备的研制以及工业数字化转型为工业软件发展提供了庞大的需求市场，这些都为自主CAE软件发展带来了前所未有的机遇。“神工坊”团队紧抓机遇，攻坚克难，以实际行动推动国产自主工程仿真计算生态可持续、高质量发展。

参考文献：

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[4]王彬文,段世慧,聂小华,郭瑜超.航空结构分析CAE软件发展现状与未来挑战[J].航空学报,2022,43(06):28-51.

[5]张峰.工业软件——推进智能制造的原动力[J].工程技术(文摘版).建筑,2016(23):36-37.

十四五期间，工业数字化将是工业转型升级的主路线。“神工坊”秉持“算力赋能、协同创新”的理念，争做“先进算力到仿真算能的转换器”、“离散机理和垂直仿真场景的连接器”，助力我国工程仿真技术实现跨越发展，支撑重大装备研制创新和工业设计研发数字化转型。