【开源工业软件工作委员会】2023开源工业软件白皮书-CAE软件集成框架_60页_4mb

开源工业软件白皮书总结

核心内容

本白皮书由开源工业软件工作委员会（OpenAtom openCAX）编写，旨在阐述开源模式在CAE软件研发中的背景与必要性，提出开源CAE软件的发展思路和技术路线，探索盈利模式，并通过FastCAE开源集成平台提供具体实例，引导工业软件研发企业、服务厂商、用户企业等主体参与开源生态建设，推动国产CAE软件产品化进程。

主要观点

• CAE软件的重要性：CAE软件是制造业核心工业软件，融合多学科技术，具有开发难度大、研发周期长等特点。
• 开源模式的必要性：开源是解决行业低价值重复、提升协同效率、推动国产CAE软件发展的重要手段。
• FastCAE平台的作用：FastCAE作为开源CAE集成平台，支持多学科求解器集成、可视化界面设计、前后处理模块以及脚本和插件扩展，旨在打造开放、共享、协作的工业软件生态。
• 生态构建目标：FastCAE致力于构建开源生态，推动CAE软件的商业化应用，并通过多种方式促进研发与应用的结合。

关键信息

CAE软件概述

• 定义：CAE是计算机辅助工程的统称，包括分析、计算和仿真。
• 应用场景：涵盖结构分析、流体分析、电磁分析、热分析、声学分析和多体运动分析。
• 国内外发展现状：
  • 国外CAE软件发展成熟，如ANSYS、MSC、Dassault等，具有强大的市场影响力。
  • 国内CAE软件起步较晚，但已形成一批具有自主知识产权的CAE软件，如HAJIF、JIFEX、SAP84、紫瑞CAE、华铸CAE、KMAS、DynPack、SiPESC、INTESIM等。

CAE软件集成关键技术

• 图形交互界面技术：支持C/S与B/S架构，采用C++和QT、Java和Spring等技术实现。
• 几何建模技术：支持多种几何引擎，如Open CASCADE、C3D、ACIS、Parasolid等。
• 网格生成技术：支持多种网格划分方法，如Delaunay剖分法、推进波前法、拓扑分解法等，涵盖低阶与高阶网格。
• 后处理可视化技术：支持三维与二维可视化，包括云图、矢量图、动画、等值面提取等功能。
• 工程数据管理技术：采用STEP、IGES等数据格式，支持HDF5等大数据处理技术。
• CAE软件架构技术：采用分层架构，支持模块化设计、数据互通和平台化管理。
• 云计算与HPC技术：支持云原生架构、弹性伸缩、并行计算等，以提高仿真效率和处理能力。

CAE开源集成框架模式思考

• 我国CAE软件研发挑战：
  • 多团队协同困难，缺乏统一标准。
  • 复合型人才短缺，缺少CAE产品经理等角色。
  • 运营体系不健全，缺乏统一的软件评价和推广机制。
• 开源框架模式优势：
  • 提高技术协作效率，降低开发与应用风险。
  • 实现统一标准和规范，促进生态发展。
  • 为商业交易提供良好基础，推动CAE软件产品化。
• 开源框架路径：
  • 构建工业软件研发体系，提出统一标准。
  • 提供配套框架平台与工具链，推动协同效率提升。
  • 建立开源社区，促进技术与人才的融合。
  • 形成自主CAE软件产业链，推动标准化与商业化。

FastCAE开源集成框架概述

• 平台简介：FastCAE是面向CAE内核开发者打造的前后处理快速集成工具。
• 系统架构：
  • 分层架构，支持数据管理、信息交换、界面生成和求解器集成。
  • 提供丰富的组件库，支持灵活扩展。
• 功能模块：
  • 界面可视化设计：支持APP设计器，无需编写代码即可实现界面布局。
  • 几何建模模块：集成Open CASCADE，支持多种几何体和特征操作。
  • 网格划分模块：集成Gmsh，支持多种网格类型和划分算法。
  • 求解器驱动模块：支持自研与第三方求解器集成，提供可视化配置和脚本驱动。
  • 后处理可视化模块：基于VTK，支持三维与二维数据可视化，包括云图、矢量图、动画等功能。
  • 脚本功能模块：支持Python脚本，实现自动化流程控制和功能拓展。

FastCAE生态构建

• 生态构建流程：
  • 开源底座平台：提供统一标准和规范。
  • 构建开放生态：推动协作创新，整合技术资源。
  • 服务应用场景：实现从产品到商品的转化，推动实际应用。
• 研发生态与应用生态：
  • 研发生态：基于FastCAE平台，提供前后处理和GUI定制服务。
  • 应用生态：为不同工业领域定制软件解决方案，实现软件的快速集成与应用。
• 开源协议与托管平台：
  • 采用BSD-3开源协议，支持自由使用与商业推广。
  • 源码托管在GitHub和码云（Gitee）平台。
• 生态成效：
  • 已积累600余位开发者和用户，形成240余款自主CAE软件。
  • 参与国家重大科研项目8项，参与工业软件国家标准2项。
  • 吸引军工、高校、企业等40余家单位参与，公众号关注量近3000，社群用户超2000人。

FastCAE集成案例

• CoinFEM：基于FastCAE开发的并行有限元压印成形仿真软件，采用Gmsh和MPI/OpenMP技术，提升模拟效率，实现商业化。
• VEROM：船舶复杂海况下耐波性预报软件，集成OpenFOAM与自研求解器，支持船舶运动模拟与可视化。
• EasyPSim：等离子体仿真软件，采用PIC-MCC算法，支持多种碰撞反应与材料属性设定，满足科研与工程需求。
• 计算力学降维方法软件：基于Python开发，采用局部配点法与半解析边界配点法，用于曲面扩散动力学和结构振动声辐射分析。

FastCAE发展规划

• 技术规划：
  • 采用C/S架构，支持跨平台运行和集群部署。
  • 后续将细化功能模块，支持B/S架构，实现底层数据融合。
  • 制定统一的数据结构和核心算法接口，支持异构开发模式。
• 产品规划：
  • 提供各学科集成模板，支持结构、流体、电磁等。
  • 推出低代码设计平台，降低开发门槛，提高效率。
  • 构建CAE软件能力集成和应用平台，支持多软件协同仿真。
  • 建设高端工业软件复合人才教学平台，与高校共建实训平台，提升人才培养质量。

结束语

白皮书指出，开源模式是推动CAE软件产品化的重要路径，FastCAE平台作为开源集成框架，为CAE软件研发与应用提供了坚实基础。白皮书鼓励更多人参与开源生态建设，共同推动国产CAE软件的发展。