国产CAE软件产品定位与开发求解器解析

本文主要从软件开发角度来分析CAE软件产品的定位。这里所指的CAE软件仍然是指用有限元，有限体积，差分等方法进行仿真的软件。数据管理，云计算之类不包含在内。

根据从易到难分为以下几种：

1. 基于其它CAE软件的二次开发

利用CAE软件提供的命令流脚本，脚本语言开发功能模块

典型的应用是在Ansys里APDL建立界面， Abaqus里用Python编写脚本

2. 基于其它CAE软件二次开发（独立界面）

开发独立于CAE软件的GUI，在GUI中输入参数，将输入的参数组织成命令流或者脚本，然后导入到CAE软件里，在CAE软件里进行建立几何模型，划分网格，建立有限元模型以及仿真，结果可以在CAE里查看，也可以在开发的GUI里查看。

这类开发的特点是需要额外的开发工具开发GUI，运行时后台调用其它CAE软件，让用户感觉是独立的软件。

典型的应用：

<1 用QT建立界面，接收用户输入参数，然后生成APDL命令流，导入Ansys进行建模仿真。

<2 Isight 调用生成的 Ansys *.cdb模型进行仿真优化。

<3 利用VBscript脚本建立模型导入到HFSS中进行仿真。

3. 开发专业前后处理器，调用其它CAE软件求解器：

通用CAE软件一个最大的短处是建模繁琐。这类软件在前后处理上提供了相当的便利，通常能独立的快速创建编辑几何模型，网格，有限元模型，提供模板等功能。有限元模型生成好以后输出相应的求解器文件供第三方软件求解。

典型应用：

SimLab/Ansa/其它专业CAE软件。

4. 某一类型/行业一揽子解决方案

在第三类基础上提供求解器。同时提供更专业的一揽子解决方案。比如专门针对涡轮发动机，提供热，结构，转子动力，振动，流体等全面求解方案，提供快速几何建模，有限元建模，优化设计，等功能。这类软件客户针对性强，集中解决某一领域或某一行业的问题，是以后CAE软件研发的趋势。

典型的应用：

LS-dyna: 碰撞分析的标准。

Fluent：流体仿真的标准。

Midas/PKPM：建筑行业。

HFSS: 电子行业高频仿真的标准。

5. 大型通用CAE软件

比如 Ansys/Nastran/abaqus/Comsol 不再多举例

目前国内科研院校主要以第一，二类开发为主。CAE的核心模块比如几何建模，网格划分，有限元模型，求解器都没有涉及到（这里的求解器是可以商用的求解器，开源软件拿来改改的不算）。

第三，四类涉及到了CAD/CAE软件的核心功能，尤其是第四类CAE产品，是以后CAE软件发展的方向：专业化，傻瓜化，one-stop服务，当然开发投入成本也高。

第五类产品的研发像OS，需要国家从战略上的投入

目前国内大部分求解器，以及开源求解器的开发仍然停留在小作坊式的水平，开发出来的程序能实现基本功能，但在稳定性，扩展性，测试性，维护性等方面差强人意，很难达到商业应用的要求。严格意义上来讲，求解器的开发也属于软件开发的范畴，理应用软件工程的思想来指导，但由于求解器本身有其特殊性，开发流程也不适合完全按照一般软件开发流程来做。

目前国内大部分求解器，以及开源求解器的开发仍然停留在小作坊式的水平，开发出来的程序能实现基本功能，但在稳定性，扩展性，测试性，维护性等方面差强人意，很难达到商业应用的要求。

严格意义上来讲，求解器的开发也属于软件开发的范畴，理应用软件工程的思想来指导，但由于求解器本身有其特殊性，开发流程也不适合完全按照一般软件开发流程来做。

结合自己开发经验，讨论一下如何系统的开发求解器。求解器开发可以分为三个阶段：

1.原型开发；

2.迭代开发；

3.维护开发；

1. 原型开发

这阶段主要完成以下任务：

1.1.技术选型；

确定要实现的功能，使用的开发语言，开发环境和工具。目前大部分求解器开发使用C/C++/Fortran语言

1.2 实现基本功能；

要能对最简单的例子进行计算，并得到正确的结果。需要做的工作：

能生成标准求解器的输入文件，比如Nastran，Ansys，HFSS，Fluent等的求解器输入文件，例子的计算结果要与这些标准求解器计算的结果做比较。
标准求解器输入文件的解析器。用来解析输入文件，作为开发求解器的输入数据。
比较标准求解器的计算结果和开发的求解器结果。
这阶段的主要目的是保证算法的正确性。开发时为了提高效率，可以借助Matlab软件: 用Matlab完成原型的开发，直到计算结果正确。在此基础上再将Matlab翻译成 C++/Fortran。这样在早起可以将精力集中在算法验证上。需要注意的是尽量进行模块化开发。

1.3. 完成求解器原型；

这里需要介绍一下Matlab软件，基本介绍看百度，主要说一下Matlab混合编程。Matlab有工具是可以把M文件翻译成C++的，不推荐。主要介绍如何把C++/Fortran文件编译成Matlab文件。这个功能很有用，当进行模块化开发的时候，C++/Fortran完成模块功能，然后编译成Mex文件，作为Matlab的模块使用。这样可以逐步将Matlab翻译成C++/Fortran，提高开发效率。

小结：