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CAE领域高性能计算发展分析.docx
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CAE 领域高性能计算发展分析
目 录
1.1 什么是 CAE....................................................................................................................... 1
1.2 CAE 产业链....................................................................................................................... 1
4.1 CAE 软件分类................................................................................................................... 6
4.2 CAE 软件基本框架........................................................................................................... 7
4.3 CAE 软件发展历程........................................................................................................... 8
4.3.1 CAE 软件发展历程................................................................................................. 8
4.3.2 CAE 主要软件发展历程....................................................................................... 19
5.1 力学仿真计算................................................................................................................. 21
5.1.1 计算固体力学...................................................................................................... 22
5.1.2 计算流体力学...................................................................................................... 26
5.2 电磁仿真计算................................................................................................................. 30
5.2.1 电磁仿真基本理论.............................................................................................. 31
5.2.2 常用电磁计算软件介绍...................................................................................... 34
5.3 电子设计自动化............................................................................................................. 35
5.3.1 电子设计自动化仿真基本理论........................................................................... 36
5.3.2 常用电子自动化软件介绍.................................................................................. 37
6.1 CAE 技术发展趋势......................................................................................................... 39
6.1.1 CAE 技术相关功能发展趋势............................................................................... 39
6.1.2 CAE 技术的相关计算性能发展趋势.................................................................... 40
6.1.3 CAE 技术相关的软件技术的发展趋势................................................................ 41
6.1.4 CAE 技术相关的用户界面的发展趋势................................................................ 42
6.1.5 CAE 技术集成化、专业化与属地化的发展趋势................................................42
6.2 中国 CAE 市场现状分析................................................................................................. 42
7.1CAE 高性能计算的计算节点需求分析........................................................................... 45
7.1.1 通用高性能计算节点.......................................................................................... 45
7.1.2 胖节点................................................................................................................. 47
7.1.3 GPU 协处理器加速计算节点.............................................................................. 49
7.1.4 Intel Xeon Phi 协处理器计算节点.......................................................................51
7.2 CAE 高性能计算对计算网络需求.................................................................................. 52
7.3 CAE 高性能计算对存储系统需求.................................................................................. 54
7.4 CAE 高性能计算对 Portal 及可视化作业需求...............................................................54
7.5 CAE 高性能计算对协同环境需求.................................................................................. 55
7.6 CAE 高性能计算对远程 3D 虚拟桌面的需求................................................................. 55
一、CAE 简介
1.1 什么是 CAE
计算机辅助工程(CAE),从字面上讲它包括工程和制造业信息化的所有方面,但是传
统的 CAE 主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计,
对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真,及早发现设计缺陨,改进和优化设计方案,
证实未来工程/产品的可用性与可靠性。工程和制造企业的生命力在于工程/产品的创新,而
对于工程师来说,实现创新的关键,除了设计思想和概念之外,最主要的技术手段,就是
采用先进可靠的 CAE 软件.
CAE 软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代
计算机科学和技术相结合,而形成的一种综合性、知识密集型信息产品;是整个 CAE 领域
的核心。
1.2 CAE 产业链
CAE 又称计算机辅助工程,其涉及到的产业非常多,产业链异常的宽广。可称为工程
的领域都可以通过计算机辅助设计研究。石油工程,化学工程,建筑工程,生物工程,食
品工程,制药工程,汽车制造工程,飞机制造工程,载人航天工程......甚至新兴的金融工程,
都离不开计算机,其涉及的领域关系到国计民生;小到衣食住行,大到国防军工,载人登
月,宇宙探索,都离不开 CAE 技术。
1
二、国外 CAE 技术发展历程
每一项新技术的推出都是由于时代的迫切需要,而新技术的出现后也需要经历历史的
重重考验。在上个世纪 40 年代,由于航空事业的快速发展,对飞机内部结构设计提出了越
来越高的要求,即重量轻、强度高、刚度好,人们不得不进行精确的设计和计算。正是在
这一背景下,有限元分析的方法逐渐的发展起来。
1943 年数学家 Courant 第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能
原理来求解 St.Venant 扭转问题,提出了有限元(FEA)的概念。
1956 年,M.J.Turner (波音公司工程师),R.W.Clough (土木工程教授),H.C.Martin (航
空工程教授)及 L.J.Topp (波音公司工程师) 等四位共同在航空科技期刊上发表一篇采用有限
元技术计算飞机机翼的强度的论文,名为《Stiffness and Deflection Analysis of Complex
Structures》,文中把这种解法称为刚性法(Stiffness),一般认为这是工程学界上有限元法开
端。
1960 年,Ray W. Clough 教授在美国土木工程学会(ASCE)之计算机会议上,发表另一
篇名为《The Finite Element in Plane Stress Analysis》的论文,将应用范围扩展到飞机以外之
土木工程上,同时有限元法(Finite Element Method)的名称也第一次被正式提出。
有限元法概念提出后的近 10 年时间是 CAE 软件的探索发展期,在这 10 年中 CAE 软
件的开发主要是依托于国家或大学,分析的对象也主要是航空航天设备结构的强度、刚度
以及模态实验和分析问题。
到了 60 年代以后,随着计算机技术的广泛应用和发展,有限元
技 术 依 靠 数 值 计 算 方 法 , 才 迅 速 发 展 起 来 。 1963- 1964 年
Besseling、Melos 和 Jones 等人证明了有限元法是基于变分原理的里
兹(Ritz)法的另一种形式,从而使得里兹法的所有理论基础都适应
于有限元法,确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。
普遍认为 60 年代到 70 年代是 CAE 技术的探索起源期。
70 年代到 90 年代 CAE 技术的蓬勃发展期。进入 70 年代后,随着有限元理论的趋于成
熟,出现大规模问题代数方程、特征值、子结构等高效数值算法。非线性及瞬态响应问题
中的应用开始;CAE 技术也逐渐进入了蓬勃发展的时期,多用途有限元软件开始形成,在
2
CAE 市场中先后出现了诸多的 CAE 软件:一方面 MSC,ANSYS,SDRC 三大老牌 CAE 公
司先后组建,并致力于大型商用 CAE 软件的研究与开发;另一方面,更多的 CAE 软件如
MARC、ADINA、ABAQUS 等一批优秀的软件的出现,为 CAE 市场的繁荣注入了新鲜血
液。80 年代末期,开始出现断裂力学分析技术,有限元同其他技术的融合开始出现。商业
软件代码不断优化,前处理、后处理软件及 CAD 系统发展。进入 90 年代后,CAE 软件为
适应新计算系统的不断改进(向量,多重处理器,并行机)。相应的高效计算方法与数值
算法的继续发展;工作站、PC 机上 CAE 软件得到大大推广和应用;CAE 技术同先进材料
模型、空气动力学、控制学、声学、电磁学和光学的交叉结合。
上世纪 90 年代至今是 CAE 技术的成熟壮大时期,这一时期有限元法的应用范围有了
大幅度的提高,已由简单的弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力问题
扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题;分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和
复合材料,从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域。将有限元
分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计,并与计算机辅助设计(CAD)和计算
机辅助制造(CAM)密切结合,形成了现在 CAE 技术的框架。与此同时,CAE 商业领域
则呈现出了大鱼吃小鱼的市场局面,大的软件公司为了提升自己的分析技术、拓宽自己的
应用范围寻找机会收购、并购小的、专业的软件商,各大软件公司大力投入研发使得 CAE
软件本身的功能得到了极大的提升。而如今的 CAE 市场是一个群雄割据的年代,据不完全
统计全球有超过 200 种仿真分析的软件在被企业所使用着,昔日的巨头命运也各不相同,
更有着无数的新贵崛起进入人们的视野。
3
1943 年 有限元方法的提出
1960 年 有限元方法在民用建筑工程应用的拓展 FEM
1963 年 MSC 公司成立
1970 年 ANSYS 软件发布
70 年代 -90 年代 CAE 技术蓬勃发
展期
90 年代至今 CAE 技术成熟壮大期
有限元法的应用范围由简单的弹性力学的平
面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力
问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动
问题
1940 年
1950 年
1960 年
1970 年
1980 年
1990 年
2000 年
2010 年
1956 年 有限元方法在航空领域 工程应用的开端
1963 年 有限元方法被证明基于变分方法 可用于处理连续介质问题
1972 年 Nastran 软件发布
CAE 技术同先进材料模型、空气动力学、控制学、声学、电
磁学和光学的交叉结合
40 年代 -70 年代 CAE 探索起源期
分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料,从固体
力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域
有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计,并
与计算机辅助设计( CAD )和计算机辅助制造( CAM )密
切结合,形成了现在 CAE 技术的框架
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资源评论
- jiangbinggui2022-07-28怎么能有这么好的资源!只能用感激涕零来形容TAT...
- Eric-Lee2022-05-05用户下载后在一定时间内未进行评价,系统默认好评。
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