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平民化仿真 工业软件突破连

平民化仿真 工业软件突破连

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平民化仿真 工业软件突破连

计算机辅助工程 CAE 的理论基础,起源于20世纪40年代的 有限元分析法 。在1960~1970年,CAE软件还处于探索时期,分析对象主要是航空航天及核电等大型装备的强度和刚度等。此时的CAE,只能运行在Unix工作站上。这是一个 算力 贫乏的时代。为了节省资源,连显示器和存储器也往往都是两台机器。庞大的计算机硬件仅仅看体型就让人望而生畏,一台计算机充满一间屋子是常见的事情。软件,不过是计算机硬件的附属品。

  围绕大型机诞生的最早一代仿真软件,有来自NASA的Nastran、也有来自西屋核电的ANSYS和非线性软件麻省理工的ADINA、布朗大学的Abaqus(跟ANSYS一样,第一个客户也是西屋核电)等。工作站作为一种昂贵的稀缺资源,也是一种集中算力的体现。人们只能去指定的机房,排队等候计算的时间。熟悉方程式的科学家们,通过命令行的组合,完成特定场景下的仿真分析。既然软件使用门槛如此高昂,脖子又被掐在硬件厂商的手里,它的发展动力自然大打折扣。软件犹如深宫秘宝,少数身怀绝技的科学家和非凡的工程师,穿过不为人知的洞口和隧道,方能够接近它。

  从IBM在1981年推出第一台真正意义上的PC机开始,桌面PC的浪潮来临了。兼容机开始盛行,计算能力也得以提升。软件也开始得以进行普及,使用门槛也大大降低。这期间,很多跟大型机紧密捆绑在一起的软件,被逐一淘汰,独立的软件则崭露头角。Windows95操作系统的图形化界面,则更是横扫一切可能的阻碍。在这个过程中,无论是设计CAD软件,还是仿真CAE软件厂商,都在忙不迭地转换身姿,拥抱个人机时代。设计软件AutoCAD成功从Unix系统转型成功,而Solidworks则直接成为Windows的原生软件。而Ansys仿真软件,在诞生14年之后,从1984年开始推出了适配英特尔286的电脑。界面更友好,功能更好用。体现这种凤凰变朱雀飞入寻常家的最好例子,莫过于非线性仿真软件四大金刚的ADINA。它早在1975年就在麻省理工诞生,但直到1988年才可以开始商业化让更多工程师可以使用。一匹桀骜不驯的烈马,终于有了更多的人,可以驾驭它。而目前全球排名第三的澳汰尔,就是在这个时候,随着PC的普及诞生。全球第一的Ansys虽然创建于1970年,但直到1996年才经由风投公司之手,完成在纳斯达克上市。工业软件,仿佛从宙斯的奥林匹克仙山,降落到民间的厅堂。使用门槛降低了,资本市场也开始对它有了全新的理解。一旦它巨大的用户群潜力得以确认,资本的拥抱自然就会超乎热情。

  很容易注意到,在一种技术引发时代的剧烈变动的时候,市场格局就开始洗牌。洗牌既有死亡,也有重生。有些企业会倒下,而新生面孔也令人欣喜。正如当下的电动汽车,人们会惊讶即使如强大的BBA三大车系或者是日本三大汽车,都有身骨瑟瑟发抖之时,但新一代的王者如特斯拉,还有中国蔚小理等造车新势力,已经像从老人身边呼啸而过的孩子,欢腾中跑在前面迎接东方的曙光。

  同样的曙光,照射在仿真软件的赛道。从2010年往后,以超算中心和云计算为代表的廉价超强算力的时代,已经来到。算力已经成为一种文明的军备竞赛,美国、日本和中国,在这里竞相发力。这些超算中心的超级算力所要解决的问题,就是通过仿真问题,通过仿真软件来计算核爆炸、天气预测等多元参数、无限放大的复杂事件。

  跟Windows时代的算力不同,云计算和超算中心看上去又重新回到了工作站时代的集中式。只不过这一次增加了一个分布式的桌面端。从表现形式来看,第一代算力:集中式的工作站;第二代算力是分散式的桌面应用;而第三代算力,就软件应用而言,它回到了集中式的算力,但同时加上了分布式的桌面甚至手机应用,后者最常见的形式就是APP应用小程序。

  算力平民化,门槛进一步降低。那么仿真软件呢?不出意外,也正在迎来了一个全新的春天。

手忙脚乱的仿真软件

  在上个世纪八九十年代PC机的崛起,形成了对既有软件的大洗牌。这个过程中,许多一流的设计CAD软件厂家被大肆洗劫,很多厂家都消失了——这些品牌的凋落,是因为它们的技术落伍,未能在工作站向PC转型的过程中,被技术离心力甩出赛道。它们死在两次暴风雨的切换之间。但很多CAE厂商却顽强活下来了。它们有些品牌在更晚些的时候消逝在市场,原因跟CAD厂家有所不同。它们并非是在第一代算力向第二代算力的过程中落伍,而是在最近的二十年由于商业模式的变迁而消失:更大的鱼吃掉了它们。

  新的时代不能兼容它们,是因为商业原因而非技术原因,但毕竟它们还是挤进了新的时代。某种意义而言,CAE厂商表现出来的韧性,是因为CAE表现了更强的专业性。它的使用门槛还是太高。仿真软件一般都是单物理场,只计算结构力学,或者只计算电磁。而要做出复杂的仿真结果,就需要对着多种物理场进行计算。仿真工程师需要熟悉这些不同的物理场,和不同的软件界面。

  对于一个企业而言,产品的设计人员与仿真工程师往往是两拨人。而且仿真工程师要远远少于设计师。设计师往往只需要一种软件就可以完成全部任务;但仿真工程师则需要在计算结构力学、计算热学、计算电磁学等不同的仿真软件之间,进行来回切换。就像在水力站转动阀门的操作工,眼前十几个阀门,转动方式各不相同。既然每个阀门都需要不同的方言口令,手忙脚乱自然是最常见的事情。

  然而,仿真工程师的难点,还不在于忙于打开各种奇怪的阀门,通晓每种软件的语言,更重要的是还要对自己的行业知识有足够的了解。他需要将工程任务中的行业Know-how跟建模语言,连接在一起。这需要相当深厚的功力。

  仿真软件,再次展现了它拒人门外的知识高冷型软件。从极端来说,它只是一个高级的科学计算器,它与行业无关。这也展示了工业软件盈利的最高级的一种模式,那就是只做通用计算平台和建模语言,封装数学模型;至于面向行业的不同琐碎的场景,则需要由仿真工程师自行完成。

  这个门槛自然很高。

  于是会有一批全新的陌生客,尝试改变了仿真软件难用的特性。

巨人足迹间的缝隙

  可以说,如果按照单学科CAE(只解决力学、热、电、磁、光等任何一个单一物理场)的方向进行突围,道路基本已经被垄断的寡头封死。大型仿真软件早已通过深挖技术壕沟、并购多个不同物理场的软件,形成了一个平台化的解决方案。

  于是,后发者采用了另外一种思路,避开单学科对巨人进行挑战,而是从工程应用的角度出发,从而将看上去牢不可破的大铁门掀起了一扇缝隙。

  来自瑞典斯德哥尔摩的COMSOL仿真软件,做了工程应用仿真模块的尝试。就本质而言,有限元分析、工程仿真的本质,都是在算数学方程。而COMSOL起源于MATLAB的Toolbox。COMSOL主打工程模块,而不是学科。1986年公司成立,随后发布了FEMLAB,这是它的第一个工程应用模块:结构力学。看到这个名字,就可以看出它简直就是MatLab的寄生品。当然,因为官司纠纷,后来COMSOL也重写代码,斩断了跟Matlab的联系。两年后发布了电磁学模块,并随后发布了化学、传热等模块。2005年,产品名称更改为COMSOL Multiphysics——可以说这个名字直到它成立10年之后,才真正形成了多物理场的概念。随后,各种工程模块不断增加。如果记录这个日益增长的清单,似乎是一个无聊的流水账。然而将这些工程应用模块看成是一面面移动的插旗,那么插旗背后则象征着不断崛起的市场,例如它在2020年开发的燃料电池和电解槽板块,正是在迎合冉冉升起的氢燃料产业。有了一个多物理场平台作为基础底座,COMSOL的上部就像是一个不断增长的插头口,新的行业市场不断被加插进来。追逐热点行业,它就像向阳花一样,伸向不同的方向。

  COMSOL的成功得益于三点,其一是基础平台植根于数学物理理论。从最底层的理论出发,自然表现出杰出的方程求解能力,它的偏微分方程PDE模块非常强大。其次COMSOL为工程问题提供易于使用的软件解决方案。产品库中的所有产品模块,都是标准化的界面。无论是电子、机械、化工等工程领域,或者是传热、流体等特定物理现象,都使用了同一个软件界面,而操作流程也都一样。这对于那些收购了大量软件的大型CAE公司,提供了另外一种选择。大型CAE公司不得不对收购的软件,进行数据打通、界面更换等工作,在相当长时间内,用户不得不反复切换阀门。更重要的是,COMSOL主打工程模块,很多行业知识封装在其中,包括电化学、等离子体等几十款应用模块——很多模块往往是经典CAE软件作为通用软件平台所难以拥有的功能模块。这些带有行业属性的工程模块,让工程师松下一口气,他们的仿真任务有了行业属性的护栏,这是一件更容易上手的工具。它为行业,定制了特殊的工具。

  仿真软件的新突破,需要精心研究巨龙足迹所留下的缝隙。

第三波浪潮呼之欲来

  仿真软件的应用,在不断简化。仿真软件的第一波浪潮,专用性很强,底层特性很强。它往往都是面向单一学科的通用仿真软件,如流体、电磁、热、结构等都是各自分离。用户需要分别购买不同款的学科软件。第二波软件则更加专注于行业。以COMSOL的工程应用模块为典型代表,它底层构建了多物理场,并且跟行业相结合,使得应用工程师可以轻松面对自己的行业进行仿真开发。

  但这也并非终点。更加简化的CAE软件,继续来到。它们更加专注一个行业,专门为一个行业进行仿真。最为典型的是在1998年成立的MotorCAD,它只瞄准先进电机的开发,提供了电磁、热、机械和电机效率与性能优化这四个最关键的功能模块。

  好用啊,它可以实现全扭矩转速范围内的多物理仿真设计。于是,它在电机行业一统天下就不足为奇,全球主要的电机生产商、科研机构都在使用。而如果采用经典的仿真软件,由于过于聚焦通用性,大量的功能其实都是不需要的。而MotorCAD的所有模块,则可以被吸干榨尽,它就是为电机而生。

  既然面向行业的专用软件已经证明可行,下一步,更小的颗粒度在哪里,更低的门槛会是什么?那就是直接面向设备,甚至面向设备的零件。例如,可以面向某一款电机,只做无刷电机或直流电机,这意味着更小巧的APP将被开发出来,直接面向个性化的设备。如果说,COMSOL代表了以多物理场为底层的功能模块的崛起,那么MotorCAD则是在功能模块的基础上直接面向垂直行业。而在此基础上,可以构建更多的个性化场景应用APP,面向特定的设备,也就顺理成章了。

  第三波CAE软件,正在呈现新的轮廓。

  COMSOL已经嗅到了这种味道,它在将自己的软件变得更加“APP碎片化”。2014年它发布的版本中,包含“APP开发器”,并发布了服务器,支持APP分发,让各地不同的用户都可以在它的服务器上,运行这些专业应用程序。最让工程师开心的是,APP开发器包含完全图形化的编程功能,用户可以自如的创建APP。到了2018年COMSOL终于为自己在互联网时代定下基调,发布了编译器。用户可以自行将在母平台所开发的程序,转换为独立运行的仿真APP。运行时候,则无需安装COMSOL软件。事情变得越来越简化。

  COMSOL的商业逻辑,就是面向专业细分领域,包括三十多个工程应用功能模块,而不是通用软件,在中国的市场乘风破浪。用户已经在此基础上,建立了1000多个APP案例。在ANSYS、Altair、MSC所笼罩的阴影之下,COMSOL找到属于自己的地盘。

  同样在国内,北京云道智造也是避开经典CAE的通用软件路线,而是在自己底层的多物理场仿真平台之上,建立广泛的工程应用模块和APP应用程序,为正在崛起的中国制造提供一个更低门槛的使用机会。

  如果说第一代ANSYS、Nastran所代表的软件使用难度用高度来比喻,它就像是上海中心大厦的最高层第127层。那么从这里看下去,COMSOL的工程应用模块离地面只有20层楼的高度。而现在COMSOL和云道的APP应用,将使得它位于第10层的位置。越来越向地气靠拢了,人们抬头可见。

  随着超算和云计算能力的普及,更加便利的方式在出现。如果能将开发平台也面向行业用户开发,让用户自己开发APP,那么这些应用将会出现在第一层楼的位置,触手可及。云道正在采用更加激进的云化方式,下沉到这个位置,将多物理场的仿真平台开放出来,并且联合开发或者由第三方进行工程模块和APP开发。云道基于通用底层平台开发了电子散热仿真软件Simetherm,已实现对主流商业软件Flotherm、ICEPAK的部分替代;上海一家专门做航空复合材料轻量化的专业咨询公司,就是直接调用这个底层平台,开发行业模块,面向国内的飞机工厂。以前分布在不同人手里的知识,正在一个个像摊裂开来的汤圆,各种芝麻馅、五仁馅都四散开来,混在一起。更加平民化的仿真,从来没有如此靠近过大众人群。

小记:一代算力,一代仿真

  工业软件的市场,从全球格局看,就像是一个发育成熟的成人,进入了一个高度稳定的结构。这种稳定是由寡头垄断所决定的,它们几乎可以采用“闭眼点菜”的方式,通过并购将各种具备创新的初创公司吞食。但在中国市场则不同,它似乎刚刚开始呈现自己舒展少年筋骨的地方。CAE软件如何选择突破方向,是一个极具策略的考量。采用软件即服务的SaaS化,是其中的一条路线。国内的上海数巧、北京蓝威和德国的SimScale都在采用这种路线。同一阵营的SaaS的仿真软件OnScale仅仅成立五年,就在今年被ANSYS收购,意味着这条云化的方向已经得到了老牌仿真厂商的认可。而云道除了也在走SaaS化的路线之外,进一步推出了工程应用模块与APP联动的方式,采用“平台即服务”的PaaS化,紧密地跟行业应用结合在一起。它大大降低了使用者的门槛,使得平民化仿真成为可能。瑞典的COMSOL已经证明了它的可行性。而中国现在很多新兴行业如锂电池、碳化硅,都提出了全新的场景需求,国外仿真软件也并无成熟的工程模块。如果能够进一步降低使用门槛,国产CAE软件正可以大展身手。

  2015年在国际工程建模、分析和仿真社区协会NAFEMS的研讨会上,业内专家提出了仿真大众化、民主化的议题,成为国际上倡导“普惠仿真”的先声。基于超算/云计算与专业化仿真APP的广泛应用,将引发仿真技术的普惠化革命。

  凭借第三次算力浪潮的助力,第三代仿真软件或许也可以随之跃起。这一次,算力普及,仿真普惠。

作者:林雪萍 屈凯峰

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