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仿真软件十年回顾和展望(3)

6、网格

传统的数值计算方法都需要高质量的网格数据作为输入,网格生成在前处理中占了很多时间。网格质量的好坏直接决定的仿真的好坏,网格生成技术作为仿真领域的一项支柱,开发难度大,且需要实际工程打磨,要想开发一套完善的网格引擎,没有五年十年的功夫是不可能的。某些情况比如多物理场,流体边界层,复合材料,EDA行业,装配体的网格的生成更为复杂,对于未知场的求解,往往需要网格加密多次求解,增加了仿真复杂度。好的网格依赖于几何输入质量以及网格算法的健壮稳定性,没有好的网格生成机制,数值计算难为无米之炊。网格算法较为成熟稳定,在这个领域很难有颠覆式的发展,未来网格底层生成算法可以和实际工业应用更加紧密结合,优化网格生成效率。

由于高阶数值计算复杂性,目前大部分商业软件网格都是线性单元(0阶)或者二次单元(一阶)。实际上高阶网格(也就是常说的P单元)在处理复杂几何上更具优势,适当的设置网格参数,只需更少数量的网格,无需迭代,就能获得更好的数值计算解,期待未来在高阶领域有更多实际应用。

无网格方法是近年来兴起的一种数值计算方法。流体领域的粒子方法(Particle Method)和LBM格子玻尔兹曼已经相当成熟,尤其是后者,达索系统早早将市场上的LBM软件收到旗下,垄断目前市场。Altair与今年推出的SimSolid号称也不需要网格,市场验证需要假以时日。要想在无网格应用上有所突破,底层理论和硬件都需要提供更多的支持。瑞士一家公司提出了一种基于MAR(Medial Axis Representation)方法,号称利用CAx取代CAD/CAE,取代传统的网格划分流程,具体效果还需要市场检验。未来,网格仍然是仿真软件前处理的重要一环,网格生成性能会进一步提升,新算法会引入让网格生成趋向智能化。

7、数值计算方法

在数值计算机方法领域,结构还是以FEM为主,电磁FEM,FDTD,MOM,流体FVM,以及无网格法。其它比如FDM,BEM,DEM,谱方法等在实际应用中大规模使用,还需要更多的努力。未来数值计算方法在理论上突破已经非常困难,但在以下几个方面仍然还有发展空间:

1,同一分析空间中不同数值计算方法的混合使用;

2,PDE产生新的解析解方法所带来的新的数值解法;

3,半解析解和数值解法的进一步组合使用;

4,数值计算方法和业务场景实际工程应用的进一步耦合;

5,高阶网格数值计算方法;

前面讲过很多次,软件只是表现,软件和工程经验的结合才是核心技术,发展数值计算方法,只有和实际工程应用结合才能使软件产生更大的价值。

8、人工智能以及机器学习引入

人工智能最近几年火的一塌糊涂,但是真正静下心来仔细研发会发现,落地应用的项目其实集中在少数几个领域,比如语音识别,图像识别,聚类分析,专家系统等等,在仿真领域应用有限。这也是由仿真领域的特点决定的:

1,人工智能依赖于大规模的训练数据输入,对于仿真而言,很多应用场景中,仿真一次的数据量就非常大,多次仿真不仅时间长,而且冗余数据多,生成的有效训练数据有限,无法提供AI训练以及深度学习所需的有效输入数据;以设置最优网格参数为例,至少两个位的训练次数才会出现有效解,而求解器一次求解时间可能就是几个小时,相比AI,实际应用中自适应网格划分更迅速和准确;

2,目前的硬件设施无法满足AI训练,或者训练成本太高,对于1中即使是对局部网格寻找最优参数解,训练所花实际成本仍然很高,性价比差;

3,未来通过机器视进行特征识别,从而可以在几何清理,设置局部网格参数等方面实现自动化是比较可行的。

9、业务驱动仿真

传统印象中,仿真应用流程是设计,仿真,再设计,测试,再设计,生产。而业务驱动仿真很可能改变这种印象。以风力发电叶片为例,叶片的生成,运输,安装,卸载成本都很高,在运作的时候如果叶片出现故障(撞击,损坏),主要以现场修复为主。如何精准的评估修复效果,利用传感器,扫描仪等装置生成实时模型,收集真实工况数据,对比原始模型,测试模型,进行实时仿真,评估CFD,机械强度等各个指标,仿真满足要求后即可上线。仿真在整个过程中起主导作用,之后还可以定时进行仿真检查,收集实时数据反馈给原始仿真计算模型,优化产品流程。

从使用者角度看,仿真软件将不再是仿真工程师的专利,完善的业务流程,固化的仿真逻辑,CAD/CAE/CAM的高度结合,可以让任何一个普通工程师用好仿真。想象一下在建筑工地上,工人发现施工与设计图纸出现冲突,需要改图,传统的做法需要层层上报,甚至反馈到设计院,设计院实地考察,给出修改方案,来回折腾。而以后可能工人只需在pad上修改图纸,实时仿真一下,将结果反馈给上级,通过则继续施工。

未完待续

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