CN106055768A - 一种基于云计算的高安全性数值模拟方法、求解器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于云计算的高安全性数值模拟方法：用户模块上构建有限元模型；对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集；计算待求解矩阵集，获得求解结果数据集；解析求解结果数据集，获得求解结果文件；最后，后处理模块读入求解结果文件，获得数值模拟结果；其中，矩阵求解是在云服务器上进行，其它步骤是在内部网络进行。本发明还公开了一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，本发明还公开了一种基于云计算的高安全性数值模拟系统。本发明将数值模拟的几何模型、物理属性、有限元模型文件、求解结果文件等工程保密信息放置于内部网络中，有效地提高云计算数值模拟的安全性。

Description

一种基于云计算的高安全性数值模拟方法、求解器及系统

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，特别涉及基于云计算高安全性数值模拟的技术领域。

背景技术

目前全球商业CAE(计算机辅助工程)软件，比如ABAQUS,Ansys等，都还是以光盘软件模式为客户提供安装。CAE的求解器一般都需要很强大的矩阵计算能力，并需要预先购买高性能计算机进行并行计算。随着网络技术的发展，现在的云计算已经可以提供强大的廉价的与高性能计算机相近的计算能力。因此在云计算下的高性能数值计算机是现在国内外的高校和企业的研究重点。

具体而言，CAE软件一般由前处理、求解计算和后处理三个模块组成，其中，前处理模块主要用于CAE几何模型和物理模型的建立、网格划分以及物理属性和边界条件添加等；求解器主要用于读入前处理产生的输入文件、建立矩阵、求解矩阵、产生结果文件。求解器的核心是数值求解，类型包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析等，这也是求解器计算性能需求大的原因。后处理模块主要用来实现分析结果的判读和评定，如将计算结果以彩色云图、矢量图、粒子流迹图、切面等图形方式显示出来，或以文本、图表等形式输出。

由于CAE的主要客户对信息保密性要求都非常高，如模型的几何资料，材料参数等，因此提供一个对数据绝对安全的云计算解决方案是进行云计算下数值仿真要解决的关键问题。目前的云计算服务主要是提供存储服务，还没有提供数值计算服务的运营商，同时数据存储服务的安全性也不是很高。

如CN 201510727975.9公开一种了基于Web浏览器的CAE数据处理方法及系统，首先，它是在Web浏览器中导入CAD模型，后台云计算平台得到相应文件格式的有限元模型；其次，根据用户设置的有限元求解器，云计算将有限元模型的文件格式转换成与有限元求解器对应的文件格式，该步骤等效为前处理；然后，利用云计算的有限元模型进行求解分析，该步骤等效于求解器的求解计算；最后，将求解分析结果处理成可视化结果返回给Web浏览器进行显示，该步骤等效为后处理。显然，该对比文件提供的CAE数据处理方法的前处理、求解计算、后处理均有云计算平台上处理，云计算平台可以轻易的获得用户的工程文件。

综上，现有基于云计算CAE系统保密性差，提供一个高安全性数值模拟云计算解决方案是进行云计算下数值仿真要解决的关键问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于云计算的高安全性数值模拟方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于云计算的高安全性数值模拟方法，包括如下步骤：

S1、用户在前处理模块上对几何模型进行网格划分，获得有限元模型，设置有限元模型的属性以及边界条件，生成有限元模型文件并发送给矩阵建立模块；其中，前处理模块位于内部网络；

S2、矩阵建立模块对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块；其中，矩阵建立模块位于内部网络；

S3、矩阵求解模块计算待求解矩阵集，获得求解结果数据集，并发送给求解结果生成模块；其中，矩阵求解模块位于云服务器上；

S4、求解结果生成模块解析求解结果数据集，获得求解结果文件并发送后处理模块；其中，求解结果生成模块位于内部网络；

S5、后处理模块读入求解结果文件，获得数值模拟结果；其中，后处理模块位于内部网络。

进一步而言，在步骤S2中，矩阵建立模块对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块，具体分为初始矩阵集建立和矩阵变换两个步骤：

S21、解析有限元模型文件，并建立初始矩阵集；

S22、对初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，产生所述待求解矩阵集。

进一步而言，在步骤S3中，矩阵求解的云服务器包含有多个分布计算节点，待求解矩阵集是拆分的，并发往多个所述分布计算节点。

基于同一发明思想，本发明还提供了一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，包括客户端和矩阵求解云服务器端；客户端包含矩阵建立模块和求解结果生成模块；矩阵建立模块用于生成有限元模型的待求解矩阵集，客户端将待求解矩阵集上传矩阵求解云服务器端，矩阵求解云服务器端是用于求解待求解矩阵集的，形成求解结果数据集，并将求解结果数据集回传客户端；然后，求解结果生成模块解析求解结果数据集，形成求解结果文件。

进一步而言，客户端的矩阵建立模块包括初始矩阵集建立单元和矩阵变换单元；初始矩阵集建立单元解析有限元模型文件，并建立初始矩阵集；矩阵变换单元用于对初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，并产生待求解矩阵集。

进一步而言，矩阵求解云服务器端位于多个分布计算节点，待求解矩阵集是拆分的，并发往多个所述分布计算节点。

基于同一发明思想，本发明还提供了一种基于云计算的高安全性数值模拟系统，包括前处理模块、求解器、后处理模块；求解器包含矩阵建立模块、矩阵求解模块以及求解结果生成模块；前处理模块产生有限元模型文件并发送给矩阵建立模块；矩阵建立模块读入所述有限元模型文件，产生待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块；矩阵求解模块求解待求解矩阵集并产生求解结果数据集；求解结果生成模块对求解结果数据集进行解析，形成求解结果文件。后处理模块读入求解结果文件获得数值模拟结果；其中，前处理模块、后处理模块位于内部网络，矩阵建立模块、求解结果生成模块位于内部网络，矩阵求解模块位于云服务器网络。

进一步而言，矩阵建立模块包括初始矩阵集建立单元和矩阵变换单元；初始矩阵集建立单元用于解析有限元模型文件，并依据有限元模型文件建立初始矩阵集；矩阵变换单元用于对初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，并产生待求解矩阵集。

进一步而言，待求解矩阵集拆分并发往多个矩阵求解模块，矩阵求解模块位于多个分布式计算节点，多个分布式计算节点位于一个云服务器或多个云服务器。

本发明的有益效果是：本发明提供基于云计算的高安全性数值模拟方法、求解器及系统，将对运算要求高的矩阵求解放在云计算服务器中进行，提高运算速度。同时，将数值模拟的几何模型、物理属性、网格、边界条件、有限元模型文件、求解结果文件等需要保密的工程信息放置于内部网络中，有效地提高云计算数值模拟的安全性。此外，本发明将求解矩阵进行分割并发送给分布式计算机运算，每个分布式节点只运算一部分矩阵，进一步提高数值模拟数据的安全性。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于云计算的高安全性数值模拟方法。

图2是本发明提供的一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器。

图3是本发明提供的一种基于云计算的高安全性数值模拟系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明第一实施例提供一种基于云计算的高安全性数值模拟方法，包括如下步骤：

S1、用户在前处理模块上对几何模型进行网格划分，获得有限元模型，设置有限元模型的属性以及边界条件，生成有限元模型文件并发送给矩阵建立模块；其中，前处理模块位于内部网络；

S2、矩阵建立模块对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块；其中，矩阵建立模块位于内部网络；

S3、矩阵求解模块计算待求解矩阵集，获得求解结果数据集，并发送给求解结果生成模块；其中，矩阵求解模块位于云服务器上；

S4、求解结果生成模块解析求解结果数据集，获得求解结果文件并发送后处理模块；其中，求解结果生成模块位于内部网络；

S5、后处理模块读入求解结果文件，获得数值模拟结果；其中，后处理模块位于内部网络。

在本实施例中，矩阵求解计算量大且保密要求低，故而只有矩阵求解模块位于云服务器。其他如有限元模型文件、求解结果文件均含有保密信息，需要求在内部网络进行。

为进一步提高云计算数值模拟的安全性，本实施将求解矩阵进行变换以及分割，并发往分布式的计算节点上。

在本实施例的步骤S2中，矩阵建立模块对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块，具体分为初始矩阵集建立和矩阵变换两个步骤：S21、解析有限元模型文件，并建立初始矩阵集；S22、对初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，产生所述待求解矩阵集。在本实施例的步骤S3中，矩阵求解的云服务器包含有多个分布计算节点，待求解矩阵集是拆分的，并发往多个所述分布计算节点。

综上，本发明第一实施例提供一种基于云计算的高安全性数值模拟方法，在该方法中，将数值模拟的几何模型、物理属性、网格、边界条件、有限元模型文件、求解结果文件等需要保密的工程信息放置于内部网络中，有效地提高云计算数值模拟的安全性。

如图2所示，在本发明第二实施例中，提供了一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，包括客户端和矩阵求解云服务器端。其中，客户端主要由用户使用，包括读入有限元模型文件、配置求解方案、配置求解服务器以及对云服务器的计算结果进行整合。用户可以选择云服务器上的矩阵求解云服务器，比将工程任务分配给不同的服务器。

在本实施例中，客户端主要包含矩阵建立模块和求解结果生成模块；矩阵建立模块用于生成有限元模型的待求解矩阵集。一般而言，工程模拟的有限元模拟文件都比较庞大，待求解矩阵集可以为单一矩阵，也可以为多个矩阵构成的矩阵集。

在本实施例中，客户端将待求解矩阵集上传矩阵求解云服务器端，矩阵求解云服务器端用于求解待求解矩阵集，形成求解结果数据集，并将求解结果数据集回传客户端。然后，求解结果生成模块解析求解结果数据集，形成求解结果文件。该求解结果文件可以有常用的CAE后处理软件打开，并进行操作处理。

在本实施例中，客户端的矩阵建立模块包括初始矩阵集建立单元和矩阵变换单元；初始矩阵集建立单元解析有限元模型文件，并建立初始矩阵集；矩阵变换单元用于对初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，并产生待求解矩阵集。在本实施例中，矩阵求解云服务器端位于多个分布计算节点，待求解矩阵集是拆分的，并发往多个所述分布计算节点。

实际上，直接由有限元模型推导出的初始矩阵集，通常不易泄密，用户可以直接将该初始矩阵集作为待求解矩阵集，并发往矩阵求解云服务器进行求解。而在本实施中，将初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，再将这些待求解矩阵集分别发往不同的服务器或者不同的云计算节点，其好处在于，任何一个节点获得待求解矩阵碎片都不能构成完成的工程信息，进而不可能导致泄密，同时也保证了更快的运算速度。

综上，本发明第二实施例提供一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，该求解器包含有客户端和矩阵求解云服务器端，云服务器端只进行矩阵求解运算，大大降低了工程信息泄密的可能。

如图3所示，本发明第三实施例提供一种基于云计算的高安全性数值模拟系统，包括前处理模块、求解器、后处理模块。

前处理包括建立几何模型、建立材料模型、建立数值分析需要的模块，网格，边界条件、产生输入文件等。该步骤里的几何模型，材料模型，输入文件都包含有保密信息。在前处理模块中，首先，用户建立CAD模型建立；其次，将CAD模型划分为对应的网格，获得有限元模型；再次，设定物理属性及边界条件；最后生成有限元模型文件。

求解器包含矩阵建立模块、矩阵求解模块以及求解结果生成模块。矩阵建立模块读入所述有限元模型文件，产生待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块；矩阵求解模块求解待求解矩阵集并产生求解结果数据集；求解结果生成模块对求解结果数据集进行解析，形成求解结果文件。值得一提的是，该求解结果文件可以在其他市售的CAE后处理软件上可读，其好处在于，本发明构成的CAE软件可以与其他CAE软件兼容。

在后处理模块中，用户通过后处理软件读入求解结果文件，获得数值模拟结果；后处理模块对分析结果进行判读和评定，将计算结果以彩色云图、矢量图、粒子流迹图、切面等图形方式显示出来，并以文本、图表等形式输出。

值得注意的是：在本实施例中，前处理模块、后处理模块位于内部网络，矩阵建立模块、求解结果生成模块位于内部网络，矩阵求解模块位于云服务器网络。内部网络可以为企业私有云、私有服务器或主机。这样即将工程保密文件锁定在内部网络，而不易泄密。

在本实施例中，矩阵建立模块包括初始矩阵集建立单元和矩阵变换单元；初始矩阵集建立单元用于解析有限元模型文件，并依据有限元模型文件建立初始矩阵集；矩阵变换单元用于对初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割提高其保密性，并产生待求解矩阵集。

在本实施例中，待求解矩阵集拆分并发往多个矩阵求解模块，矩阵求解模块位于多个分布式计算节点，多个分布式计算节点位于一个云服务器或多个云服务器。

实际上，工程模型的有限元模型都比较复杂，矩阵建立模块对有限元模型文件解析出来的求解矩形也比较复杂，即初始矩阵集，单单从求解矩阵，通常不会泄露工程秘密，如工程几何模型、物理属性等。在本实施中，为了进一步提高模拟信息的保密性，对初始矩阵集进行简单变换，再将其拆分为多个碎片，构成待求解矩阵集。然后，再将这些待求解矩阵集分别发往不同的服务器或者不同的云计算节点，其好处在于，任何一个节点获得待求解矩阵碎片都不能构成完成的工程信息，进而不可能导致泄密。

综上，本发明第三实施例提供一种基于云计算的高安全性数值模拟系统，在该系统中，将数值模拟的几何模型、物理属性、网格、边界条件、有限元模型文件、求解结果文件等需要保密的工程信息放置于内部网络中，有效地提高云计算数值模拟的安全性。

本发明的有益效果是：本发明提供基于云计算的高安全性数值模拟方法、求解器及系统，将对运算要求高的矩阵求解放在云计算服务器中进行，提高运算速度。同时，将数值模拟的几何模型、物理属性、网格、边界条件、有限元模型文件、求解结果文件等需要保密的工程信息放置于内部网络中，有效地提高云计算数值模拟的安全性。此外，本发明将求解矩阵进行分割并发送给分布式计算机运算，每个分布式节点只运算一部分矩阵，进一步提高数值模拟数据的安全性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于云计算的高安全性数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、用户在前处理模块上对几何模型进行网格划分，获得有限元模型，设置所述有限元模型的属性以及边界条件，生成有限元模型文件并发送给矩阵建立模块；所述前处理模块位于内部网络；

S2、所述矩阵建立模块对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块；所述矩阵建立模块位于内部网络；

S3、所述矩阵求解模块计算所述待求解矩阵集，获得求解结果数据集，并发送给求解结果生成模块；所述矩阵求解模块位于云服务器上；

S4、所述求解结果生成模块解析求解结果数据集，获得求解结果文件并发送后处理模块；所述求解结果生成模块位于内部网络；

S5、所述后处理模块读入求解结果文件，获得数值模拟结果；所述后处理模块位于内部网络。

2.如权利要求1所述的一种基于云计算的高安全性数值模拟方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述矩阵建立模块对有限元模型文件进行运算，生成待求解矩阵集并发送给矩阵求解模块，具体分为初始矩阵集建立和矩阵变换两个步骤：

S21、解析所述有限元模型文件，并建立初始矩阵集；

S22、对所述初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，产生所述待求解矩阵集。

3.如权利要求2所述的一种基于云计算的高安全性数值模拟方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述矩阵求解的云服务器包含有多个分布计算节点，所述待求解矩阵集是拆分的，并发往多个所述分布计算节点。

4.一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，其特征在于，包括客户端和矩阵求解云服务器端；所述客户端包含矩阵建立模块和求解结果生成模块；所述矩阵建立模块用于生成有限元模型的待求解矩阵集，所述客户端将所述待求解矩阵集上传所述矩阵求解云服务器端，所述矩阵求解云服务器端是用于求解所述的待求解矩阵集，形成求解结果数据集，并将所述求解结果数据集回传客户端；所述求解结果生成模块解析求解结果数据集，形成求解结果文件。

5.如权利要求4所述的一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，其特征在于：所述客户端的所述矩阵建立模块包括初始矩阵集建立单元和矩阵变换单元；所述初始矩阵集建立单元解析有限元模型文件，并建立初始矩阵集；所述矩阵变换单元用于对所述初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，并产生所述待求解矩阵集。

6.如权利要求4所述的一种基于云计算的高安全性数值模拟求解器，其特征在于：所述矩阵求解云服务器端位于多个分布计算节点，所述待求解矩阵集是拆分的，并发往多个所述分布计算节点。

7.一种基于云计算的高安全性数值模拟系统，包括前处理模块、求解器、后处理模块，其特征在于：所述求解器包含矩阵建立模块、矩阵求解模块以及求解结果生成模块；所述前处理模块产生有限元模型文件并发送给所述矩阵建立模块；所述矩阵建立模块读入所述有限元模型文件，产生待求解矩阵集并发送给所述矩阵求解模块；所述矩阵求解模块求解所述待求解矩阵集并产生求解结果数据集；所述求解结果生成模块对求解结果数据集进行解析，形成求解结果文件；所述后处理模块读入所述求解结果文件获得数值模拟结果；其中，所述前处理模块、后处理模块位于内部网络，所述矩阵建立模块、求解结果生成模块位于内部网络，所述矩阵求解模块位于云服务器网络。

8.如权利要求7所述的一种基于云计算的高安全性数值模拟系统，其特征在于：所述矩阵建立模块包括初始矩阵集建立单元和矩阵变换单元；所述初始矩阵集建立单元用于解析所述有限元模型文件，并依据所述有限元模型文件建立初始矩阵集；所述矩阵变换单元用于对所述初始矩阵集进行矩阵变换及矩阵分割，并产生所述待求解矩阵集。

9.如权利要求7所述的一种基于云计算的高安全性数值模拟系统，其特征在于：所述待求解矩阵集拆分并发往多个所述矩阵求解模块，所述矩阵求解模块位于多个分布式计算节点，所述多个分布式计算节点位于一个云服务器或多个云服务器。