CAE软件架构包括几个功能模块？

拆解 CAE 软件架构，CAE 按照功能可以分为以下 9 大模块。

1.输入/输出模块

输入/输出，即文件的读入与写出。

在数据输入阶段，通常需要输入的数据有：（1）控制数据：如结点总数、单 元总数、约束条件总数等（2）结点数据：如结点编号、结点坐标、约束条件等 （3）单元数据：如单元编号、单元结点序号、单元的材料特性、几何特性等（4） 载荷数据：包括集中载荷、分布载荷等 ；

文件类型包括：（1）软件自定义的工程文件（2）标准的 CAD 文件（3）标准 有限元模型文件（4）标准的行业 CAD 文件。

外部接口：通常 CAE 软件能够供其他软件调用，或者作为其中一个模块，也能 够实现参数化命令行调用。

2.几何模块

这里的几何指广义上的 CAD，包含了几何的创建，编辑，管理等。一般的商 业 CAE软件提供了 CAD功能，都比较简单。ANSYS、HYPERMESH、PRTRAN、ABAQUS 等常用 CAE 软件均具有相关的几何建模和模型编辑功能，这些功能大多适用于处理 简单几何模型。对于复杂几何模型，特别是异形结构件、大型装配体，需要运用 Solidworks、UG、Pro/E 等专业 CAD 软件对几何模型进行简化处理，然后再将处理好 的模型导入到 CAE 软件中进行后续操作。

 

CAD 与解方程组数值算法一样，也是基础性学科领域。这里不涉及通用的 CAD 建模，重点在建立 CAD 模板。所谓的模板是指可反复使用，用户输入参数或者导入 模板参数文件，即可建立所需的 CAD 模型，不需要用户手工去生成。这也是专业 CAD 软件的优势所在。CAD 建模首先需要内核，目前商业的 3D CAD 内核有 Parasolid 和 ACIS，Granite，开源的 OCC。

3.求解算法

电磁 CAE 仿真主流算法分为时域和频域两类。求解算法的准确性直接影响最终 仿真结果的准确性。

常见的时域算法有：时域有限差分法（FDTD）、时域有限积分法（FITD）、矩量 法 （MoM）、 有 限 元 法 （FE）、 边 界 元 法 （BEM）、 谱 域 法 （SM）、 传 输 线 法 （TLM）、模式匹配法（MM）、横向谐振法（TRM）、线方法（ML）和解析法等等。

时域算法的计算特点：线性加速比高、高度多线程，支持多核 CPU，支持大型 GPU，内存要求不高，回写很少。

频域分析：频域分析法是研究控制系统的一种工程方法。控制系统中的信号可 以表示为不同频率的正弦信号的合成。描述控制系统在不同频率的正弦函数作用时 的稳态输出和输入信号之间关系的数学模型称为频率特性，它反映了正弦信号作用 下系统响应的性能。应用频率特性研究线性系统的经典方法称为频域分析法。

频域数值算法有：有限元法（FEM）、矩量法（MoM），差分法（FDM），边界 元法（BEM），和传输线法（TLM） ；

频域算法的计算特点：多线程、线性加速有限，支持多核 CPU 并行求解，内存 要求高，回写有。

4.后处理器

后处理器是对仿真结果的处理，包括可视化，归纳分析，导出报告，与实验数 据对比等。

可视化主要包括等值线，云图，XYplot，动画等；归纳分析是指对仿真的原始 数据进行加工，得到所需要的参数，比如 VonMises 应力，S 参数；与实验数据对比 也是以后 CAE 仿真的一个发展方向，即如何将仿真得出的数据与实验数据，保证仿 真数据具有实际参考价值。

后处理主要用到图形显示模块。目前市场上比较通用的商业后处理器： Ensight，HyperView，Femap。

5.求解器

有限元分析软件的核心是它的求解器模块，它常用来做静态和类似静态问题的 分析，如静力学分析，稳态问题分析，热力耦合问题分析等问题，包括很多非结构 问题。求解器核心是求解偏微分方程，开发求解器主要在稳定性，扩展性，效率以 及定制化等方面还有很多改进余地。

稀疏求解器：（1）为矩阵提供直接求解。（2）带宽未进行优化，因此节省了 执行此运算所花的时间。（3）仅存储非零项，而非整个矩阵。（4）尽管要存储的 刚度矩阵项更少，但需要更多变量才能存储非零项的位置。因此，稀疏求解器比其 他求解器需要更多内存。（5）对于中小型模型，稀疏求解器的求解速度通常最 快。

迭代求解器：（1）为矩阵提供间接求解。因此，用户必须指定要执行的最大 迭代次数，必须指定决定何时收敛解的收敛准则。不能保证在指定的迭代次数内求 出矩阵解。（2）由于迭代求解器需要从初始猜测开始，因此某些处理器具有预调 节器。这为提高模型求解效率提供了更多选项。（3）带宽未进行优化，因此节省 了执行此运算所花的时间。（4）迭代求解器所需的内存比稀疏求解器更少。（5） 对于大型模型，如果能够收敛，则迭代求解器的求解速度最快。大小取决于分析类 型。

两个求解器可以进行集成，一般有两种集成方式：顺序集成和协同仿真。顺序 集成，即 Standard 计算完成的结果作为 Explicit 的初始状态继续进行计算。协同仿 真，在同一个模型中，可以将一部分做成 Standard 的模型，一部分做成 Explicit 模 型，求解过程中两部分同时进行，适时进行交互数据。

6.图形

该模块包括以下几部分：（1）几何模型、有限元模型、结果的可视化（2）几 何、有限元模型的图形化编辑（3）GUI 设计 ；

几何模型、有限元模型、结果的可视化：可视化开发工具首选 OpengGL，使用 OpenGL 需要较深的图形学功底。目前绝大部分可视化工具都是基于 OpengGL。也有 些公司在 OpengGL 之上做了封装，提供了更高层次的调用接口。

几何、有限元模型的图形化编辑：涉及到编辑几何，编辑网格。允许用户通过 鼠标，输入等方式编辑几何和网格，支持更复杂的功能（比如装配体的网格组合） CAE 软件通常采用卡片式编辑，即在一个 ListView 中按 Index 显示所有内容，提供编 辑，删除，添加等，在新的窗口中实现功能。

GUI：图形化用户接口开发工具有 MFC，QT，WPF 等。最近十年 QT 的发展已有 超过 MFC 的势头。作为 GUI 开发工具，QT 具有使用简单，不依赖平台，开发资源 丰富等特点，可作为开发的首选。

7.公共模块

公共库主要包括：字符操作，数值计算，基本数据结构，错误返回代码定义， 图形算法，常用算法，矩阵类等。

公共模块没有太多核心技术，实现也没有难点，但在 CAE 开发中相当重要，尤 其到开发的中后期，公共模块的重要性更加突出。一个好的公共模块能大大提高开 发测试效率。

8.高性能计算（HPC）

高性能计算指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中 组织的几台计算机（作为单个计 算资源操作）的计算系统和环境。目前，高性能计 算作为计算机科学的一个分支，主要是指从体系结构、并行算法和软件开发等方面 研究开发高性能计算机的技术。

有限元计算中，稍大的模型自由度通常可以达到十万/百万，这就往往需要极 强的算力。以百万自由度隐式分析问题为例，有如下瓶颈会影响求解器性能： （1）读取文件耗时长（2）多份拷贝影响内存，会严重影响性能。普通 PC 的内存可 能会一次性装不下所有数据（3）单元矩阵的生成（4）整体刚度矩阵的生成（5） 方程求解；

一般来讲，利用并行计算的方法是将程序分解为子任务，将每个子任务分配到 不同的设备上。实现涉及到任务的分解，资源调度，进程间通信等。由于并行计算 受限于应用程序的串行部分，应用程序的加速部分会有限。因此合理的设计程序算 法和分配资源是实现并行计算的核心。

9.参数优化设计

当涉及变量过多时，枚举法已不再适用优化，优化算法可以减少设计阶段的工 作量。借助优化算法，可以大大减少仿真次数。尤其是发展起来的智能算法，如遗 传，神经网络，蚁群，粒子等算法在解决多目标优化领域有很多成功应用，非常适 合仿真方面的优化。

目前比较常用的商业优化软件有 Optimus，Isight，Tosca 等，不仅能直接提供优 化算法，还提供了很多 CAE 软件的接口，能直接调用 CAE 软件。有些仿真软件里也 提供了优化功能。开源的就不计其数了如 Tao，Petsc，Alglib，dlib 等。