CAD/CAE软件在云计算平台的研究与应用

 传统的计算机辅助设计/分析CAD/CAE技术已经成为汽车企业研发和技术革新过程中不可或缺的力量，而随着企业内部大规模地使用CAD/CAE技术，如何高效地利用CAD/CAE设计分析过程中所涉及到的软硬件资源，已经变成了一个亟待解决的问题。

 传统的计算机辅助设计/分析（CAD/CAE）技术已经成为汽车企业研发和技术革新过程中不可或缺的力量，而随着企业内部大规模地使用CAD/CAE技术，如何高效地利用CAD/CAE设计分析过程中所涉及到的软硬件资源，已经变成了一个亟待解决的问题。而云计算技术的飞速发展为CAD/CAE设计分析提供了一个很好的平台。本文介绍了在云计算平台实现CAD/CAE技术的基本思路及工作原理，对比分析了云计算平台上使用CAD/CAE技术与普通CAD/CAE模式的优缺点，最后，阐述了企业在云计算平台上推广CAD/CAE软件时需要注意的问题以及建议。

一、引言

 在大力推广CAD/CAE技术的今天，从自行车到航天飞机，从房屋桥梁到隧道大坝，几乎所有的制造业都离不开计算机辅助分析技术，CAE的应用在提高产品质量、降低成本和缩短新品投放市场的周期这三个方面有着非常显著的应用。普通CAE的分析流程见图1所示。

图1普通CAE分析流程

 普通的CAE分析流程主要包括5个步骤：前处理、数据上传、核心计算、数据下载、后处理。在普通的CAE分析流程中，由于数据需要来回地在本地PC服务器和计算中心存储阵列上传输移动，尤其是后处理数据结果文件巨大，而这种不间断地在网络上进行大范围远距离的大数据传输给传统CAE分析带来了以下问题：

 （1）工作效率低、网络压力大

 随着模型的变大，数据不断地增加，在网络上传输的时间需要花费很多，从而也对整个企业局域网造成了很大的压力。

 （2）难以管理、资源浪费、数据易泄露

 数据在不同存储媒介上的传输拷贝，难免会造成一个文件拷贝多次的现象，从而导致磁盘容量被重复占用，不利于管理的同时也造成了资源的浪费，而且因为数据可以被任意下载到本地机，从而导致数据容易泄露。

 （3）投资成本高

 因为前后处理对于图形处理能力要求很高，尤其是后处理，通常数据文件非常大，每个分析人员都需要配置相当高端的图形卡才能满足要求，从而导致企业增加额外的投资成本。

 二、定义介绍

 1、云计算

 云计算主要是将信息永久地存储在云中的服务器上，在使用信息时只是在客户端进行缓存，而客户端可以是桌面机、笔记本、手持设备等。

 2、CAD

 计算机辅助设计（CAD-ComputerAidedDesign），利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。

 3、CAE

 计算机辅助工程CAE(ComputerAidedEngineering），指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。

 三、CAD/CAE在云计算平台上的应用

 1、CAD/CAE在云计算平台上部署的基本思路

 通过将CAD设计/CAE分析所需要的图形工作站、高性能计算资源、高性能存储以及所需要的CAD/CAE软件都部署在云端，而地端用户只需要一台普通的终端电脑，无需安装专业的CAD设计软件和CAE分析软件，也无需强大的图形处理功能，仅通过网络，在网络浏览器上选择自己的应用即可进行相应的设计，或者提交计算到高性能计算服务器进行分析。具体部署方案见图2所示：

图2CAD/CAE在云计算平台上的部署方案

 2、CAD/CAE在云计算平台上工作的基本原理

 CAD/CAE云计算平台的基本原理是通过在云端的图形服务器上，图像被优化压缩后通过网络传输到一个或多个远程客户端，而地端用户只需要通过移动鼠标和敲击键盘把相应指令发送到云端的图形服务器上，云端的图形服务器接收相应指令后通过解析用户的这些行为，将合适的图像数据送给用户，具体流程见图3所示。图像数据优化处理后传输规模变小，就无需将整个模型送到地端客户机，从而降低了对地端客户机的可视化资源的要求，在地端客户在使用过程中，其速度等同或接近图形服务器端的速度，而且经过优化的图像传输占用的网络带宽远远小于模型数据传输的带宽。

图3云端和地端数据交互流程

 3、CAD/CAE在云计算平台上的工作流程

 因为云计算平台的所有应用软件和管理软件都集中部署在该平台上，即专业的CAD设计软件和CAE前后处理软件都只安装在云端有限的几台图形工作站上，而地端客户机上没有任何软件，因此CAD/CAE设计分析人员可以通过任意一台普通的PC甚至笔记本电脑通过网络远程参与到CAD/CAE设计分析过程中，通过在web界面选择相应的CAD/CAE设计分析软件后，即可进行CAD设计和CAE分析，整个过程中的所有数据都产生在云端工作站上。

 这样CAE分析流程就可以简化为以下三个步骤：

 （1）前处理：在本地普通的桌面环境下，远程利用云端机房内的图形服务节点，进行网格剖分、边界和初始条件的设置，产生的计算输入文件直接存放在集中的存储上；

 （2）核心计算：在云端图形服务器上直接提交计算任务到高性能计算服务器或者集群，高性能计算服务器或者计算集群节点直接从集中的存储上读取数据，运算完毕后直接将结果数据保存在集中存储上；

 （3）后处理：在本地普通的桌面环境下，远程利用云端机房内的图形服务节点，直接从集中存储上读取数据，进行后处理分析。

 4、云计算平台的优点

 CAD/CAE设计分析软件在云计算平台上的应用有以下优势：

 （1）使用简单方便、性能提高

 CAD/CAE软硬件资源集中部署在云工作站服务器上，工程师不需要在本地安装任何CAD/CAE软件，只要网络是通的，仅仅通过Web浏览器，即可随时随地在云平台中使用CAD/CAE软件进行工作，而且因为模型数据和结果都在云工作站中，因此避免了数据的远程传输，从而大大节约了分析时间。

 （2）集中管理、统一配置、使用安全

 因为所有数据和应用程序都集中在云工作站服务器上，管理员足不出户就可对所有客户端和应用进行统一管理和维护。另外，因为用户终端传递的只是最终运行的图像，因此，即使终端受损或是丢失，企业的应用数据也不会丢失从而增加了数据的安全性。

 （3）节约成本、节能减排

 云工作平台的软硬件资源共享使用，减少了软硬件的投入，用户客户端为一般的瘦客户机就可以满足要求，大大延长了使用周期，间接降低了电子垃圾的产生数量。而且因为瘦终端功耗很低，同时，云工作站服务器的资源利用率又很高，因此也可以达到节省成本，节能减排的目的。

 （4）多部门用户之间的软件安全隔离

 针对不同部门使用软件的不同，授予其不同的应用软件的访问权限，从而不会造成资源浪费。

 5、云计算平台的缺点

 目前，云计算还是一项发展中的技术，在很多行业中还没有得到大规模地应用，所以在推广云计算平台时还需要考虑以下一些问题：

 （1）初期投入成本较高

 在使用云计算平台初期，涉及到高配置的云工作站服务器、共享集群存储系统、云端网络以及云平台软件等方面的购置，因此需要投入大量的资金。

 （2）计算量过大服务器易发生崩溃、影响正常工作

 对于CAE软件来说，可以在虚拟化桌面上进行前后处理操作，但是如果要在进行计算操作，必须要连接专业的高性能计算服务器才行，否则当计算量很大时会使服务器发生崩溃，甚至瘫痪，从而导致所有账户均不可用，影响正常工作。

 （3）云工作站服务器风险增大。

 应用云计算平台后，可以有效地解决客户端的安全问题，但是企业的核心数据资源存储转换到云工作站服务器上，云工作站服务器的安全风险必然增大。

 （4）对网络带宽有一定要求

 在工作时间，由于用户同时使用云客户端办公，通过网络与服务器进行数据交换，所以应用云计算平台对网络有着较高的要求。

 （5）使用习惯问题

 由于云计算平台界面与传统的PC界面存在较大差异，因此，用户在界面使用习惯上需要有一个熟悉的过程。

 四、CAD/CAE在云计算平台上推广应用的建议

 因为云计算平台存在利弊因素，所以企业在推广云计算平台之前，需要参考以下几点建议：

 （1）先采用部门试点的方式，待试点使用云计算平台成熟后再推广到整个公司乃至整个企业；

 （2）对于企业中一些资源比较有限的单机版软件可以安装在云计算平台上使其浮动起来，以便充分利用软件资源；

 （3）动态调配云工作站服务器的内存资源，以提高资源利用率。

 总结

 云计算平台作为未来IT架构的发展趋势，将会在未来几年在各行各业得到广泛应用，瘦客户机将逐步取代传统PC成为新的终端形式，从而有效提高企业数据的安全性，降低运维成本。因此企业需基于自身的特点，充分认识云计算平台的优缺点，因地制宜地开展云计算平台部署及应用。

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