内核技术支撑CAE成为驱动产品创新引擎
MSC，信息技术产业界为数不多的即将走过半个世纪的“科学家”公司，在进入21世纪之初即倡导和开发了“多学科分析”系统平台。面向未来，CAE工程分析领域新的技术走势如何，面对应用端的客户需求、应对云计算等新兴技术，工程分析领域的平台化系统又应具有怎样的特性才能达成用户产品创新的深度满足?近日，ENI经济和信息化传媒总编采访了MSC公司大中华区技术总监姜元庆。
姜元庆概括阐述了多学科CAE分析技术现状及发展趋势：“公共数模”多学科内核技术、OPENFSI技术、多学科优化及其集成应用环境与模板技术等，构成了多学科CAE分析;而多学科集成应用环境、仿真流程的规范化及自动化技术、仿真数据的管理及协同技术等，是当前及未来几年CAE发展走势。他进一步指出：未来的云计算技术，并行应用必将扩展到成千上万个处理器上，这将是对并行计算技术开发的巨大挑战。
与此同时，姜元庆分析并认为，在工业界需求的牵引和软件、硬件技术发展的推动下，CAE已经渗透到制造业产品研发的各个环节，由辅助的验证工具转变为驱动产品创新的引擎。
多学科CAE分析：基于“公共数模”内核
江彦：从技术层面，MSC倡导和开发了“多学科分析”系统平台。请问，“多学科分析”最主要的技术和实现功能有哪些?用户端有怎样的应用需求?
姜元庆：多学科CAE分析必须解决模型建立、算法集成以及多学科联合方法等问题，同时，一个有效的设计需要由多重因素和多学科进行解释，很少有结构只需要符合单一学科的设计标准。由此，MSC公司自2001年起就对多学科应用CAE技术进行深入研究。
多学科CAE分析最主要由七大类的技术和功能构成。
第一，基于“公共数模”的多学科内核技术。
目前用于工程分析的CAE软件很多，无论是结构，流体，噪声，电磁，还是多体动力学和控制方面，都有相应的分析软件，由于各自平台的差异，需要分散建立各学科的CAE模型。长期以来，局限于现有的前后处理器、计算力量和自动运行能力，CAE分析专家要通过许多离散的分析步骤来手工模拟仿真学科之间的复杂交互作用。即便是对于某一学科的多步分析，也相当耗费时间。更何况对于多学科分析，需要通过处理大量的分析数据来确定如何将结果从一个学科传递到另外一个学科，这必然非常枯燥，同时也会带来人为的错误、降低模拟精度，而且这个过程也是没有可重复性。MSC公司联合全球知名航空航天、汽车企业，通过对多学科应用CAE技术进行深入研究，提出了“公共数模”这一创新概念，即将CAE领域不同学科采用的线性非线性、单元库、载荷描述、材料模式、隐式、显式算法及多体动力学分析乃至CFD分析所涉及的数据或算法进行有效统一和归纳，使CAE分析过程中能无缝调用同样数据。如目前已经被市场广大用户所接收与验证的MD Nastran软件即采用了多学科求解内核技术，借助于该技术，相比将多个独立的仿真工具捆绑在一起分析的方法，MD Nastran可以减少50%的仿真时间，这是因为MD Nastran在原有的MSC Nastran基础上，将多个学科为代表的软件工具如非线性领域领先的MSC Marc、显式非线性领域领先的Dytran/LS-Dyna及噪声分析领域领先的Actran进行全新内核整合，并开发了一系列可用于多学科应用的分析类型和功能。
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MSC大中华区技术总监姜元庆
第二，SOL400 “链式分析”功能。
全新开发的SOL400求解序列，可以实现链式多步分析，前一步分析结果是后一步分析的初始条件。用户可以在一次分析中的一个工况或多个工况间通过嵌套任意多个不同学科不同分析类型的分析，如可以嵌套多个静力、动力、模态、复模态等不同分析类型，这些分析类型可自动依次求解，并可根据需要设定相互间的影响或预状态，也可在隐式和显式、热与结构不同学科间自动转换，由此消除传统“链式”分析中模型数据的转换，即实现基于一个共同的数据模型来进行多学科分析。
第三，更广泛的模型装配处理功能。
进一步扩充了原有的模型装配单元能力，如MPC、Connectors单元从原来所支持的线性分析，扩充至支持大位移大转动的非线性分析；将非线性的接触功能扩充至线性，以实现模型的快速装配及线性动力学分析；
第四，扩充的动力学及声场分析功能。
通过将Nastran及Actran的有限元与无限元技术进行有效集成，多学科求解内核在动力学及声场分析易用与功能方面获得极大提升，用户可直接基于振动分析获得振动噪声评估而无需象以前分别用不同软件建立模型分析求解；
第五，OPENFSI技术。
在MD Nastran中，推出了通用CFD接口 OPENFSI技术 ，实现MD Nastran和主要的CFD软件之间的协同仿真。该接口技术是一个开放的，实现内部强耦合的一个接口，通过OPENFSI，MD Nastran的多学科拓展到计算流体力学领域，实现了多学科一体化仿真。
第六，多学科优化技术。
新的多学科技术可以将多种分析类型进行组合完成多学科优化。其优化的学科范围可包括线性静力、模态、频响、气动弹性、声场及显式碰撞等，可以对结构不同部件采用不同的优化方式如拓扑、形状、尺寸、形貌及地貌优化组合，以获取更优的产品设计。
第七，多学科集成应用环境与模板技术。
在进行CAE多学科分析时，用户迫切期待一个集成度高的企业级多学科仿真分析系统，该系统具有统一的用户环境，能够在同一平台下进行多学科分析，降低用户环境和界面的复杂程度；能够消除传统“链式”多学科仿真中的模型数据转换，即基于一个共同的数据模型来进行多学科分析；能够加强与CAD软件之间的集成与互动，能够进行无缝的数据转换，提高模型导入的精度，加强CAD-CAE的集成；能够定制仿真分析流程，制定企业仿真分析规范；等等。为顺应企业多学科仿真的需求，MSC公司经过数年打造和锤炼，于2006年9月推出其全新力作SimXpert。相对于传统单点分析工具的多重用户环境，MSC SimXpert致力于构建统一的用户环境和操作界面，使得不同学科的分析，如结构分析、机构动力学、传热、碰撞、系统控制等多个WorkSpace都能够在同一个完整的分析环境下完成，提高了多学科模型创建效率，同时这样的创新无疑大大方便了用户，省去了学习不同软件操作的时间，降低了软件使用的门槛。SimXpert同时还提供模板技术，采用面向CAE对象的模板定制功能，其模板创建功能向用户提供了直观的图形用户界面和操作方式，基于简单的“拖拽”式操作，用户通过对SimXpert的标准任务动作模块(Action)进行组合和连接，就可以快速建立可视化的工作流程以提高多学科分析效率。
与此同时，多学科分析客户应用的需求很多，多学科分析可以很简单，简单到仅仅是一个线性静态载荷，一项频率研究；可以很复杂，复杂到如需要对碰撞研究前，先进行多体动态分析(如车辆打滑，障碍影响)，随后对冲击研究做一个显式的分析，最后为残余应力做一个隐式分析等复杂过程。采用MSC多学科分析技术，对于处理这些多学科问题的优势是显而易见的，如汽车行业所关注的噪音、振动和不平顺(NVH)研究，如何描述一个多体动力学ADAMS模型模拟的车辆行驶在崎岖不平的道路上，不规则表面对车辆的噪音与振动产生影响，常规方法需要大量繁琐的处理过程，而利用MSC最新的多学科技术，可直接将ADAMS模型转换为一个综合了完整的Nastran结构的NVH模型。同时，工程师可以使用相同的模型进行乘坐空间的声学仿真模拟，以此方便的实现真实路面状况下的真实NVH属性的综合研究。并且，新的多学科分析技术允许由NVH仿真模拟引起的负载也能够用于后期碰撞仿真模拟。
技术趋势：多学科集成应用环境
江彦：与业界同行产品相比，多学科分析具有其技术优势。请介绍，未来几年CAE工程分析领域将有哪些新的技术走势?
姜元庆：CAE技术的发展已经历了半个世纪，在工业界需求的牵引和软件、硬件技术发展的推动下，CAE已经渗入到产品研发的各个环节，由辅助的验证工具，转变为驱动产品创新的引擎。
当前，根据虚拟仿真的对象、计算方法、物理场、应用行业等不同维度，CAE技术可以细分出很多单元技术，并获得广泛应用，未来CAE工程分析技术无疑将为满足高保真度的多学科仿真分析、提高仿真分析效率以及仿真知识库建立等方面发展，可以看到，当前及未来几年CAE技术具有以下几方面技术走势：
首先，多学科集成应用环境。
通过统一的用户环境，在同一平台下进行多学科建模、数据无缝转换，通过无缝集成的分析环境在多学科之间进行数据交换和多学科联合仿真。仿真模型所包含的数据，如几何模型、有限元网格、载荷/边界条件、材料、初始条件、状态信息等可以在各学科之间进行无缝交换，降低用户环境和界面的复杂程度，增强多学科分析前处理的易用性，提高多学科建模的效率。
其次，仿真流程的规范化及自动化技术。
对产品进行虚拟仿真涉及到十分复杂的流程，如何实现仿真流程的规范化与自动化，创建完整的仿真流程模板，对于提升仿真分析的效率、质量及仿真知识的保留非常关键。
第三，仿真数据的管理及协同技术。
在虚拟仿真的过程中，生成了海量的、不同类型的仿真文档和数据，对应不同的分析结果。如何有效管理仿真文档，如何建立分析文档与产品模型的对应关系，是CAE技术深化应用必须解决的问题。
当然，CAE软件的高性能计算及跟上硬件技术的发展，如64位，GPU计算等，也是CAE技术近几年发展的热点。
需求趋势：基于仿真数据、知识和经验的平台化
江彦：目前，用户端和市场已经产生平台化的信息系统需求。但是，CAE业界不同系统供应商提供的平台又有较大的差异性。您认为，工程分析领域“平台化”的产品系统应当具有怎样的特性和用户满足性?
姜元庆：近几年来的工程分析领域平台化的需求增长比较明显，这主要源于客户对工程分析手段不断升级的需求以及对过去工程分析经验、知识、手段的梳理归纳的要求。从过去的发展来看，工程分析领域的客户已经大量采用仿真分析工具进行各类物理问题的模拟。在持续的工作中，已经积累了大量的仿真数据、仿真知识和经验。对仿真数据的有效管理和重用、对仿真分析手段的梳理和总结、对分析经验的归纳和规范化已经成为客户目前面对的问题。
从客户目前的规划来看，很多客户对自己企业的产品研发信息化建设有整体的规划，同时也不断在细化完善之中。工程分析领域的信息化平台是其中重要组成部分。工程信息化平台的设计和实现一方面取决于客户对平台的具体需求，这一方面和企业的工程分析实践紧密相关。另一方面来源于实施方提供的平台功能，这实际上是对其他同类客户的需求的借鉴。信息化平台的内容，还需要结合工程分析专业和信息化技术支持。另外，系统实施角度，最好能够提供现成的、实施周期短、风险小的解决方案。
在充分了解客户需求的基础上，MSC应对工程分析信息化的解决方案是MSC.SimManager。该产品是在Audi 公司仿真业务的基础上，结合其他大量行业(特别是航空航天、船舶、汽车、电子等)客户的工程分析信息化特点提炼归纳的平台产品。该产品是成熟的，被市场上的大型客户认可的，例如，空客，波音，宝马，戴姆勒，GKN等。
基于已有的产品架构，通过面向客户需求的定制和开发提供最终的应用系统。目前的版本最大限度地提供了开箱即用功能，缩短实施周期和减小风险。同时还将专业化仿真分析经验和规范的框架纳入到了产品中。
“云”中CAE：可扩展的并行计算技术开发
江彦：云计算、高性能计算、互联网技术等技术是未来的发展趋势。您如何看待，云计算等新技术对CAE工程分析领域技术和产品趋势的影响?MSC是否会更快地将云计算作为软件开发方向?
姜元庆：云计算是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。通过云计算，可以将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务，用户终端简化成一个单纯的输入输出设备。简单地说，云计算是通过网络按需提供可动态伸缩的廉价计算服务。
云计算的核心是并行计算技术，因此对CAE工程分析技术和产品的发展趋势的影响首先是体现在可扩展的并行计算技术的开发上。目前的CAE分析技术和产品，虽然大多都可以实现并行计算或分布式计算，但并行的处理器(核)一般在100个以内，而且当处理器数目增加到一定数量后，再增加处理器的数量，加速性能已不明显。未来的云计算技术，并行应用必将扩展到成千上万个处理器上，这将是对并行计算技术开发的巨大挑战。其次，云计算对CAE分析技术和产品发展趋势的影响是高稳定性要求。因为将来的云计算，计算节点成千上万，CAE分析技术和产品的可靠性是云计算系统可靠性的重要保障。
云计算是未来高性能计算发展的方向和趋势。洞察行业发展方向，引领行业发展趋势，一直是MSC公司作为一个专业CAE公司的特色。因此MSC公司必将会更快地以云计算作为软件开发的方向。
MSC Nastran：基于NASA登月飞船而开发
江彦：与业界同行的技术和市场比较，MSC的主要优势体现在哪些方面?
姜元庆：在业界总体来看无论是技术还是市场，不可否认MSC都有比较最相近的竞争对手。但MSC在技术、市场和用户端都具有明显的优势。
技术优势体现在以下四个方面：首先，MSC的产品技术专业和面向工程应用。我们的旗舰产品MSC Nastran是基于美国航空和宇航局(NASA)登月飞船的结构可靠性分析而开发的，在NASA得到极为广泛的应用。其次，MSC 产品的技术先进，功能强大。MD Nastran是世界上惟一的真正意义上的多学科求解器，集成了线性/非线性、隐式/显式、多学科/多模型优化、热-结构耦合、流-固耦合、声学等功能。实现统一模型，多学科计算。第三，MSC 产品功能全面，覆盖结构、运动、控制、疲劳等领域。不同学科软件之间具有流畅的接口，可以方便地实现多学科耦合分析，如流体-结构耦合、结构-运动耦合，运动-控制耦合、结构-控制-运动-疲劳耦合等。第四，成熟的平台系统。CAE的高端应用是仿真流程定制和仿真管理，MSC在仿真流程定制和仿真管理方面有业界最成熟，应用最广泛的平台系统SimXpert和SimManager。
由于上述的技术优势，也带来了MSC的市场优势。总体来看，在CAE主流的市场行业，如航空、航天、汽车、船舶等行业，MSC占据着绝对的优势，这些行业的用户绝大部分都使用MSC的产品，是MSC的忠实用户。为继续扩大市场的认知度，MSC推出了学生教育计划，在校学生可以免费申请试用我们的软件，感受MSC软件强大的功能。
在用户端，MSC的软件其易学、易用、功能强大、运行稳定的特点普遍受到用户的好评，奠定了MSC的用户端优势。