CN104063550A - 一种基于云计算平台的多物理场cae系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于云计算平台的多物理场CAE系统，包括云客户端、云计算平台和云数据库；云客户端、云计算平台和云数据库之间通过网络进行数据通信。云客户端包括用户交互平台。云计算平台包括用于建立CAD模型CAD建模模块、用于将CAD模型划分为离散CAD后的网格数据模型的网格划分模块、用于设定多物理场参数模型的多物理场设定模块、用于进行有限元求解运算的有限元求解模块和用于对有限元求解模块计算的结果进行评价优化的结果优化评定模块。云数据库包括用户数据库和案例库。本发明在云计算平台上实现了多物理场CAE技术，为广大企业用户节约了成本，有效地利用了计算资源，大大降低了多物理场CAE技术的引入门槛。

Description

一种基于云计算平台的多物理场CAE系统

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程领域，特别是涉及一种基于云计算平台的多物理场CAE系统。

背景技术

现实工程中，有很多物理场，温度场、应力场、电场和磁场等等均属于物理场，而我们要解决的许多问题是这些物理场的叠加问题，因为这些物理场直接是相互影响的。比如炼钢的时候，温度高低会影响到应力的分布。

这种多个物理场相互叠加的问题叫做多场耦合问题，也是一种耦合。

随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析FEA(Finite Element Analysis)越来越多地用于仿真模拟，以求解真实的工程问题。这些年来，越来越多的工程师、应用数学家和物理学家已经证明这种采用求解偏微分方程PDE(Partial Differential Equations)的方法可以求解许多物理现象，这些偏微分方程可以用来描述流动、电磁场以及结构力学等等。有限元方法用来将这些众所周知的数学方程转化为近似的数字式图像。

早期的CAE(Computer Aided Engineering)技术主要关注于某个专业领域，比如应力、温度、电场或磁场等等，但是，一般来说，物理现象都不是单独存在的，例如，只要运动就会产生热，而热反过来又会影响一些材料属性，如电导率、化学反应速率、流体的粘性等等。这种无理系统的耦合就是多物理场，分析起来比单独去分析一个物理场要复杂的多。很明显，我们现在需要一个多物理场的CAE分析工具。

多物理场CAE技术对工程结构与产品的性能及其生产加工过程进行分析、模拟、预测、评价和优化，是所谓的“虚拟制造”、数字化制造的核心技术，对于制造业和国民经济的繁荣发展具有举足轻重的作用：多物理场CAE技术增加了设计功能，研发者借助计算机的分析计算，确保了产品设计的合理性，减少了设计的成本；研发者使用多物理场CAE技术，缩短了设计和分析的循环周期；多物理场CAE技术采用优化设计，找出了产品设计的最佳方案，降低材料的消耗或成本；多物理场CAE技术在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；多物理场CAE技术可以模拟各种实验方案，减少实验时间和经费；多物理场CAE技术还可进行机械事故的分析，便于查找事故原因。因此，多物理场CAE技术的应用服务和策略咨询将会在未来几年里得到迅速发展。

传统模式下的企业多物理场CAE设计，企业需要自行购买和搭建多物理场CAE软、硬件基础设施，聘请专业的人员才可以实施，即企业必须自行构建信息处理能力。由此不难看出，传统模式下企业多物理场CAE的实施是一个漫长的过程，并且在搭建完成以后，还需要进行长期的系统维护和机房维护工作，这也就引起了诸多的问题，例如：系统造价高、门槛高、使用率低、维护成本高等等。

目前，多物理场CAE系统的使用者基本上都是专家，而且一般使用者都需要数年甚至数十年的摸索和经验积累才能达到“用好”的目标，因此，多物理场CAE技术也被称为“只有博士才能使用的技术”。这就对使用多物理场CAE技术的企业人才提出了很高的要求，往往使大多数实力一般的公司望而却步。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于云计算平台的多物理场CAE系统，用于解决现有技术中多物理场CAE系统造价过高、企业多物理场CAE设计门槛高、多物理场CAE系统对操作者要求高以及多物理场CAE系统维护成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于云计算平台的多物理场CAE系统，包括：云计算平台、云客户端和云数据库；所述云客户端、所述云计算平台和所述云数据库之间通过网络进行数据通信；

所述云客户端包括用户交互平台，所述用户交互平台用于输入用户登陆信息和案例信息、查看所述云计算平台的计算结果；

所述云计算平台包括CAD建模模块、网格划分模块、有限元求解模块、多物理场设定模块和结果优化评定模块；所述CAD建模模块用于建立CAD模型；所述网格划分模块用于将所述CAD模型划分为离散CAD后的网格数据模型；所述多物理场设定模块用于设定多物理场参数模型；所述有限元求解模块用于根据所述有限元模型和所述多物理特征参数模型进行有限元求解运算；所述结果优化评定模块用于对所述有限元求解模块计算的结果进行评价优化。

优选地，所述案例信息包括几何特征数据和多物理场特征参数数据。

优选地，所述CAD建模模块是根据所述几何特征数据建立所述CAD模型。

优选地，用户通过所述用户交互平台查看和确认所述CAD模型。

优选地，所述网格划分模块是按照有限元方法对所述CAD模型进行网格划分的。

优选地，所述多物理场设定模块根据所述用户交互平台输入的所述多物理场特征参数数据设定多物理场参数模型。

优选地，所述结果优化评定模块将所述有限元求解模块的计算结果可视化并生成运算结果报告；用户通过所述用户交互平台读取所述运算结果报告。

优选地，所述云数据库包括用户数据库和案例库；所述用户数据库用于存储用户登陆信息以及CAE设计记录；所述案例库用于存储所述云计算平台的计算结果。

优选地，所述用户登陆信息包括用户名、密码和用户权限。

优选地，所述案例库还包括专家库，所述专家库是针对当前用户的所有模型进行管理而形成的；且是用户根据自身的所述用户权限来使用的。

如上所述，本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统不需企业自行购买软、硬件基础设备，也不需要专门聘请专职技术人员，只需要在线提交需求及模型参数，利用本发明基于云计算平台的多物理场CAE系统，即可完成建模、前处理、核心求解和结果输出等一系列的工作，再反馈给客户，客户可根据具体的情况进行指导、优化和改进。并且，本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统为CAE技术在云计算平台的实现和普及，奠定了一定的基础，同时为广大企业用户节约了成本，并可以和各地超算平台结合，更有效地利用计算资源，节约了软、硬件的采购成本以及维护成本，大大降低了CAE技术的引入门槛。

附图说明

图1显示为本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统的结构示意图。

图2显示为本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统的多物理场CAE求解交互过程示意图。

元件标号说明

1 基于云计算平台的多物理场CAE系统

11 云客户端

111 用户交互平台

12 云计算平台

121 CAD建模模块

122 网络划分模块

123 多物理场设定模块

124 有限元求解模块

125 结果优化评定模块

13 云数据库

131 用户数据库

132 案例库

S21～S28 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的基于云计算平台的多物理场CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)系统是一种在线计算系统，用户通过网络的方式，实现多物理场CAE设计，根据多物理场CAE的技术特点，并结合现代最新的网络技术和云技术，搭建BS(Browser Server浏览器服务器模式)架构软件框架，并将有限元技术中的CAD建模技术、网络划分技术、有限元数值求解、多物理场技术、优化和结果评价系统，按照独立元件技术和控件技术，将原本复杂和密集的有限元系统，通过云计算和网络平台实现数据通信，从而实现在线的多物理场有限元计算。

如图1所示，本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统1包括云客户端11、云计算平台12和云数据库13。云客户端11、云计算平台12和云数据库13之间通过网络进行数据通信。其中，

云客户端11包括用户交互平台111，用户通过用户交互平台111，完成以下功能：1)登录本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统；2)根据具体的实际需求，输入相关的案例信息，且相关的案例信息通过网络传递给云计算平台12，其中，相关的案例信息包括几何特征数据、多物理场特征参数数据；3)可根据自身账户的权限，调用云数据库103的相关内容；4)查看云计算平台102的计算结果。本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统包括一个或多个云客户端11。

云计算平台12包括CAD建模模块121、网格划分模块122、多物理场设定模块123、有限元求解模块124和结果优化评定模块125：

CAD建模模块121是根据用户输入的几何特征数据，包括几何维度和几何模型尺寸等信息，调用CAD内核，生成CAD模型；用户通过用户交互平台111可以查看和确认CAD模型；

网格划分模块122是根据用户输入的几何特征数据以及用户确认的CAD模型，按照有限元方法划分为离散CAD后的网格数据模型，即网格数据；

多物理场设定模块123是在用户交互平台111提示用户输入多物理特征参数数据，并根据输入的多物理场特征参数数据，参考系统预订的对应多物理场设定模块，设定多物理场参数模型；其中，多物理场特征参数数据包括材料属性、模型初始条件、物理场边界条件等；

有限元求解模块124是根据网格数据和多物理场参数模型转化为CAE需要求解的有限元数据库，并求解出计算结果；

结果优化评定模块124是用于将有限元求解模块123计算的结果可视化并生成对应的运算结果报告，并对运算结果进行评价优化；其中，评价优化包括两部分：1)，将运算结果报告通过用户交互平台111反馈给用户，用户根据自身的需要，通过改进案例信息对其进行优化和评价；2)系统直接对有限元求解模块123计算的结果进行优化处理。

云数据库13包括两部分：用户数据库131和案例库132；用户数据库用于存储用户自身的登陆信息和多物理场CAE的设计记录，登陆信息包括：用户名、密码及用户权限等；案例库用于存储云计算平台102的计算得到的结果，以方便用户日后的调用和设计。并且，案例库还包括专家库，专家库是通过当前用户的权限，对该账户进行的所有模型管理并结合平台专家数据库而生成的，指导用户对计算结果评价以及优化设计。专家库并不是对所有的用户都开放，每一个用户都有针对自己的使用权限，其所使用的专家库是根据自己的需求进行预先设定的。由于多物理场CEA涉及不同的领域，用户可以根据自己的需求，仅仅选用自己所需要领域的专家库。

在本实施例中，用户通过云客户端11的用户交互平台111注册和登陆本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统，并进入云计算平台12；然后通过用户交互平台递交对于多物理场CAE求解问题的计算需求，本发明的多物理场CAE系统利用云计算方式，在云计算平台12求解用户的问题，并通过网络技术和网页技术，将计算结果存放在案例库中。

本发明基于云计算平台的多物理场CAE系统关于多物理场CAE求解的交互过程如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤S21，根据实际案例的需求，用户通过用户交互平台输入几何特征数据激活CAD建模模块121，其中几何特征数据包括几何维度，例如二维或三维，或几何模型尺寸等；

步骤S22，CAD建模模块121通过预制的几何模型、CAD参数化建模方式以及用户提供的几何特征数据，调用CAD内核，生成CAD模型；

步骤S23，CAD模型通过用户交互平台111反馈给用户，用户对CAD模型进行确认：如果确认，则跳转至步骤S24,；否则，则重新跳转回步骤S21；

步骤S24，云计算平台12调用网格划分模块122，对用户确认的CAD模型使用有限元方法进行网格划分，得到网格数据，即离散CAD后的网格数据模型；

步骤S25，多物理场设定模块123通过用户交互平台111提示用户输入多物理场特征参数数据，，用户根据实际案例需要输入多物理场特征参数数据，多物理场设定模块123根据输入的多物理场特征参数数据设定多物理场参数模型；

步骤S26，云计算平台12将多物理场特征参数模型、以及网格数据(即离散CAD后的网格数据模型)转化为CAE所需要求解的有限元数据库，然后通过有限元求解模块123进行求解计算；

步骤S27，有限元求解模块123进行求解运算后的结果写入有限元数据库，结果优化评定模块124对有限元数据库中的运算结果可视化并生成对应的运算结果报告，对运算结果分别通过系统和用户两个方面的优化和评定；

步骤S28，将结果优化评定模块124优化出的结果存入案例库132中。

综上所述，本发明的基于云计算平台的多物理场CAE系统，通过最新的云计算技术以及网络技术，解决了现有的工业设计领域中较为繁琐和复杂的多物理场CAE求解步骤，并通过案例库以及专家库系统，对用户历史计算模型进行有效的管理，对方案比选及优化工业设计，具有客观明确的指导。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，包括：云计算平台、云客户端和云数据库；所述云客户端、所述云计算平台和所述云数据库之间通过网络进行数据通信；

所述云客户端包括用户交互平台，所述用户交互平台用于输入用户登陆信息和案例信息、查看所述云计算平台的计算结果；

所述云计算平台包括CAD建模模块、网格划分模块、有限元求解模块、多物理场设定模块和结果优化评定模块；所述CAD建模模块用于建立CAD模型；所述网格划分模块用于将所述CAD模型划分为离散CAD后的网格数据模型；所述多物理场设定模块用于设定多物理场参数模型；所述有限元求解模块用于根据所述有限元模型和所述多物理特征参数模型进行有限元求解运算；所述结果优化评定模块用于对所述有限元求解模块计算的结果进行评价优化。

2.根据权利要求1所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述案例信息包括几何特征数据和多物理场特征参数数据。

3.根据权利要求2所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述CAD建模模块是根据所述几何特征数据建立所述CAD模型。

4.根据权利要求3所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，用户通过所述用户交互平台查看和确认所述CAD模型。

5.根据权利要求1所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述网格划分模块是按照有限元方法对所述CAD模型进行网格划分的。

6.根据权利要求2所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述多物理场设定模块根据所述用户交互平台输入的所述多物理场特征参数数据设定所述多物理场参数模型。

7.如权利要求1所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述结果优化评定模块将所述有限元求解模块的计算结果可视化并生成运算结果报告；用户通过所述用户交互平台读取所述运算结果报告。

8.根据权利要求1所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述云数据库包括用户数据库和案例库；所述用户数据库用于存储用户登陆信息以及CAE设计记录；所述案例库用于存储所述云计算平台的计算结果。

9.根据权利要求8所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述用户登陆信息包括用户名、密码和用户权限。

10.根据权利要求9所述的基于云计算平台的多物理场CAE系统，其特征在于，所述案例库还包括专家库，所述专家库是针对当前用户的所有模型进行管理而形成的；且是用户根据自身的所述用户权限来使用的。