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==概述==

本系列文章研究成熟的有限元理論基礎(chǔ)及在商用有限元軟件的實(shí)現(xiàn)方式。有限元的理論發(fā)展了幾十年已經(jīng)相當(dāng)成熟，商用有限元軟件同樣也是采用這些成熟的有限元理論，只是在實(shí)際應(yīng)用過程中，商用CAE軟件在傳統(tǒng)的理論基礎(chǔ)上會做相應(yīng)的修正以解決工程中遇到的不同問題，且各家軟件的修正方法都不一樣，每個主流商用軟件手冊中都會注明各個單元的理論采用了哪種理論公式，但都只是提一下用什么方法修正，很多沒有具體的實(shí)現(xiàn)公式。商用軟件對外就是一個黑盒子，除了開發(fā)人員，使用人員只能在黑盒子外猜測內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式。

一方面我們查閱各個主流商用軟件的理論手冊并通過進(jìn)行大量的資料查閱猜測內(nèi)部修正方法，另一方面我們自己編程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有限元求解器，通過自研求解器和商軟的結(jié)果比較來驗(yàn)證我們的猜測，如同管中窺豹一般來研究的修正方法，從而猜測商用有限元軟件的內(nèi)部計算方法。我們關(guān)注CAE中的結(jié)構(gòu)有限元，所以主要選擇了商用結(jié)構(gòu)有限元軟件中文檔相對較完備的Abaqus來研究內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式，同時對某些問題也會涉及其它的Nastran/Ansys等商軟。為了理解方便有很多問題在數(shù)學(xué)上其實(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)，同時由于水平有限可能有許多的理論錯誤，歡迎交流討論，也期待有更多的合作機(jī)會。

iSolver介紹視頻：

http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12884

==第21篇：自主CAE開發(fā)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)第二階段總結(jié)==

有限元基礎(chǔ)理論和Abaqus內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式研究系列的文章已經(jīng)完成了20篇，我們每十篇將寫一篇自主CAE的總結(jié)，網(wǎng)上分析自主CAE的得失的文章已經(jīng)很多了，我們站的角度不同，不是從國家戰(zhàn)略的層面上來呼吁自主CAE的重要性，這邊的總結(jié)僅僅結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元求解器iSolver的開發(fā)具體談?wù)?span style="background-">實(shí)現(xiàn)自主CAE過程中的切身經(jīng)驗(yàn)和體會。上一次的總結(jié)文章有興趣的可以看下面的鏈接：

第十一篇：自主CAE開發(fā)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)第一階段總結(jié)。介紹了iSolver開發(fā)以來的階段性總結(jié)，從整體角度上介紹一下自主CAE的一些實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，包括開發(fā)時間預(yù)估、框架設(shè)計、編程語言選擇、測試、未來發(fā)展方向等。

                                          http://www.yqgqt.org.cn/content/post/532475

本文主要是第二階段的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，iSolver上一階段主要是技術(shù)功能的開發(fā)研究，而第二階段在開發(fā)新功能的同時，在推廣和工程化應(yīng)用的過程中有了更深的體會。

1.1 十年實(shí)現(xiàn)自主CAE很難，那要是一百年呢？

自主CAE軟件，無論是理論水平還是軟件開發(fā)能力，國內(nèi)比我們做的好的比比皆是，有些不愿意公開宣傳，有些在滿頭練內(nèi)功。我們更希望和大家交流，得到大家的反饋，深入的討論具體怎么實(shí)現(xiàn)自主CAE的方案和實(shí)踐。也許我們這一代永遠(yuǎn)替換不了商軟CAE，但至少我們可以一起策劃未來怎么替代，替代過程中有哪些雷區(qū)我們可以先嘗試一下，節(jié)約后來者的研究時間，并且可以留下個樣板房，大家可以從中看到自主CAE不是那么遙不可及，還可以像愚公移山一樣留給下一代人去解決。iSolver的目標(biāo)也是希望做一個求解器的開發(fā)平臺，大家可以在這個平臺上更加快捷和深入的學(xué)習(xí)有限元知識，對國內(nèi)做自主CAE的人也可以降低編程難度，當(dāng)效率提高了，才可能省下時間來專心研究算法和后面的商業(yè)化推廣，很多時候開發(fā)自主CAE的同行并不缺少技術(shù)和推廣的能力，也能找到些自由支配的時間，但可惜很多時候被開發(fā)效率和協(xié)同而白白浪費(fèi)了，而且很難積累。自主CAE需要的是百花齊放百家爭鳴，現(xiàn)在用戶對國內(nèi)的CAE基本不相信，無論你是做什么行業(yè)什么專業(yè)的，當(dāng)大家都花時間在潛心研究自主CAE時，才可能把自主CAE真正做到實(shí)處，給客戶信心，新的自主CAE也更容易被客戶接受。

                                             

現(xiàn)在的國外CAE一套動輒數(shù)百萬，這個定價明顯虛高，小企業(yè)根本承擔(dān)不起，很大程度是壟斷造成的，只有中國國內(nèi)有了可替代的方案，國外的CAE軟件的價格才會主動降下來，這對我們每個企業(yè)來說可以省掉一大筆經(jīng)費(fèi)。而且國外CAE還有各種限制措施，國防關(guān)鍵工程不能用，license節(jié)點(diǎn)數(shù)目受限，內(nèi)部計算方式不公開，這些都需要國內(nèi)自主CAE成長起來才有談判資格。

1.2 撥開重重的迷霧，商業(yè)CAE軟件開發(fā)還是有跡可循的

1.2.1 商業(yè)化的思維

很多做技術(shù)的人都看不起商業(yè)化，那是不是可能因?yàn)榍∏∈俏覀兩虡I(yè)化做的不好或者根本無力做商業(yè)化推廣呢？我們以前一直從事技術(shù)方面的開發(fā)工作，以前覺得技術(shù)是最重要的，但在自主CAE商業(yè)化推廣摸索一段時間后，才發(fā)現(xiàn)技術(shù)是最次要的，商業(yè)化推廣更重要，當(dāng)你商業(yè)化做的好的話技術(shù)是可以用商業(yè)搞定的，看看最近幾年大廠商在不斷的合并就知道了。

在以前，商業(yè)化肯定只能是靠金錢才能堆出來，但現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源很多，傳播途徑和范圍也可能現(xiàn)象級的，同時有些成本都可以忽略，這也給了大家更多的機(jī)會方便的宣傳自己的產(chǎn)品，使得自主CAE的宣傳有可能和商軟在同一個舞臺了，就像現(xiàn)在的技術(shù)鄰一樣。

1.2.2 學(xué)會取舍

幾乎所有的工程師都會夢想提出一套方案解決所有問題，并為之付諸半生的努力奮斗，最終毫無意外地折戟沉沙。需求是無限的，軟件能力是有限的，明確的定位和務(wù)實(shí)的發(fā)展計劃是自主CAE軟件一開始就需要考慮的。國內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)曾經(jīng)研發(fā)出了優(yōu)秀的CAE軟件，卻沒有能夠堅持下來，除了受國外商軟的沖擊外，很大一部分源于自身的定位迷失和不合理的發(fā)展計劃，在某些項(xiàng)目中成功實(shí)施后，膽大的全線鋪開大踏步前進(jìn)，死在追求“通用”的路上；膽小的猶猶豫豫原地徘徊，迷失在尋找“通用”的路上?！巴ㄓ谩彼坪跏且粋€有魔力的詞，是所有軟件都繞不開的坑。直至目前為止，國內(nèi)的大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和高校仍然沉迷于通用數(shù)據(jù)格式、通用數(shù)據(jù)接口、通用功能等字眼，卻不知若干年前有一種詞叫“中性”。取舍是這個階段最重要的能力和品質(zhì)，對需求進(jìn)行取舍，在取舍的過程中把握住行業(yè)的動向，看清楚自身的能力和特點(diǎn)，明確自身定位，制定切實(shí)可行的發(fā)展計劃。

1.2.3 應(yīng)用為王

應(yīng)用有兩種：

第一種是深度：做個超大工程證明自主CAE的求解能力，千萬網(wǎng)格量級以上，多少p以上級別的超算資源，而且還要連續(xù)算個幾天幾夜以上，這種高檔飯店的應(yīng)用一個完整的例子就能測出程序的計算速度和內(nèi)存，優(yōu)化你的程序結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是展示度好，領(lǐng)導(dǎo)們重視，缺點(diǎn)是一個項(xiàng)目做完，很難推廣到另一個項(xiàng)目，再重來一遍，從另一方面來說，這也是優(yōu)點(diǎn)，一次做完了，后面哪還有項(xiàng)目。

第二種是廣度：就是大眾化的誰都可以拿來直接算算的小問題，這種問題一般幾萬個網(wǎng)格就夠了，普通pc機(jī)上都可以運(yùn)行，時間差不多5分鐘也就運(yùn)行完了。如果你的目標(biāo)是產(chǎn)品開發(fā)，那么對程序開發(fā)起到更大作用的是這種路邊大排檔的應(yīng)用，這種應(yīng)用才能給自主CAE快速的反饋，形成批量的改進(jìn)意見，指引我們產(chǎn)品的開發(fā)方向，然后產(chǎn)品版本不斷的迭代。

現(xiàn)在國內(nèi)自主CAE基本都是第一種大工程的應(yīng)用，第二種普通的應(yīng)用難做、沒展示效果，而且也沒法考核。所以現(xiàn)在的課題等基本都是以XX大型項(xiàng)目為示范驗(yàn)證，導(dǎo)致很多做自主CAE為了完成項(xiàng)目更是只能花大把時間去做前面點(diǎn)上的應(yīng)用，而沒有精力去做后者面上的應(yīng)用。

第二種普通的應(yīng)用難做，我們覺得相對技術(shù)來說，另兩個問題更突出：

（1）   用戶對商軟的深度依賴。也許有一天國外斷供，打開軟件發(fā)現(xiàn)無法啟動然后又要完成以前的任務(wù)時，可能才能意識到自己對商軟是何等的依賴。

（2）   用戶對國內(nèi)自主CAE軟件的不信任。不僅是結(jié)果的正確性，還有軟件的用戶體驗(yàn)和發(fā)展前景等，轉(zhuǎn)換平臺是要花費(fèi)成本的，不光是時間，還有對未來的投資。

而現(xiàn)在應(yīng)用國外商軟占壟斷地位的情況下，如何在普通的應(yīng)用上推廣自主CAE呢？我們覺得必須和商軟結(jié)合，接口按商軟標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，和商軟對接轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，甚至在商軟平臺上做二次開發(fā)和集成，做那些只是修修補(bǔ)補(bǔ)、搞個界面看起來毫無技術(shù)含量的定制，在商軟的世界中摸爬滾打，一個項(xiàng)目也許你99%的工作都獻(xiàn)給了商軟，但至少還有1%的經(jīng)驗(yàn)留給了自己，那么等你做到100個仿真二次開發(fā)和商軟集成的項(xiàng)目時，你也可以第一線理解商軟的應(yīng)用場景，理解客戶的業(yè)務(wù)流程，從而基本了解自主CAE往后怎么應(yīng)用了。這也是商軟的核心，只是大部分人都認(rèn)為二次開發(fā)就是搞個界面最沒有技術(shù)含量，領(lǐng)導(dǎo)不重視，也沒經(jīng)費(fèi)，更不能發(fā)文章。黑貓白貓，抓到老鼠就是好貓，對客戶來說，只要能滿足我的業(yè)務(wù)需求就行，至于底下是不是商軟還是自主的，不重要，等到了你能編出上層的業(yè)務(wù)界面后，那么底層才有機(jī)會用自主CAE來替代商軟。

1.2.4 不缺技術(shù)，但缺平臺

國內(nèi)做有限元理論和算法研究出色的不在少數(shù)，在有限元的技術(shù)方面國內(nèi)并不缺少，況且有限元軟件總是滯后于最新的有限元理論技術(shù)的。但技術(shù)好和將技術(shù)轉(zhuǎn)化為代碼形成產(chǎn)品是兩回事，可能是兩批人，兩個公司，兩個領(lǐng)域。整合這些有限元技術(shù)，讓軟件在不斷吸收外部技術(shù)的同時還能往前發(fā)展，需要的是一個技術(shù)積累的平臺。這個平臺我們認(rèn)為應(yīng)該具備兩個最基本的特點(diǎn)：

（1）   可擴(kuò)展。這個平臺首先要求是架構(gòu)完善，可擴(kuò)展性很強(qiáng)，已經(jīng)考慮了對未來的技術(shù)方面的積累，新功能在平臺中能找到位置。這個需要花費(fèi)大量的時間去調(diào)研，甚至在你編第一行代碼前，如果你做的CAE軟件有對標(biāo)軟件的話，那么就對標(biāo)商軟的架構(gòu)研究是一個好途徑，商軟是個黑盒子，但很多情況在外面的表現(xiàn)也可以猜到內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的，然后再找開源代碼或者編寫小程序去證明一下。同時開源代碼的架構(gòu)也是不錯的研究對象（如果是研究開源的算法，還是要謹(jǐn)慎的，商軟一般都會修正）。

（2）   易維護(hù)。這個平臺的快速迭代和維護(hù)應(yīng)該也是在你的團(tuán)隊能力之內(nèi)的。在國內(nèi)，除開個別國家單位，自主CAE在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用前都是純投入，而且沒有個幾年時間基本不會出成果，上面的領(lǐng)導(dǎo)和一起作戰(zhàn)的兄弟們都需要養(yǎng)家糊口完成經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，只能擠時間開發(fā)，那么平臺的可維護(hù)性就極其重要。在外人看來，只要技術(shù)上可行，時間不是問題，可以加人、可以加班。要是協(xié)同和加班能搞定的都是小問題，平臺有些技術(shù)上的缺陷很可能是人數(shù)越多開發(fā)越慢，團(tuán)隊所有人7X24小時還完不成的?，F(xiàn)在很多都基于開源代碼開發(fā)，這個要分情況的，如果你不準(zhǔn)備修改開源代碼，那么沒問題，集成個初步版本看到效果是很快的，后面開源軟件升級時還能一塊升級。但如果你后面還需要維護(hù)和功能的添加，那就很考驗(yàn)團(tuán)隊消化能力了，不是自己編的代碼理解是要花大量時間的，在整個可能超過10年的CAE開發(fā)過程中，基于開源代碼花費(fèi)的時間不一定比從零開發(fā)少，而且，還沒有知識產(chǎn)權(quán)，有時還不如自己開發(fā)，就當(dāng)是一場馬拉松，不在乎起跑，只在乎終點(diǎn)。

平臺的優(yōu)劣直接決定了積木壘起來的高度，決定你的技術(shù)轉(zhuǎn)換為軟件代碼所能達(dá)到的高度。平臺沒做好，現(xiàn)有的代碼就如同建立在流沙上的房子一般，總有一天會被沖垮，甚至是現(xiàn)有代碼越多，反而為了兼容以前的代碼更是難以發(fā)展，只能帶著腳鏈前行，前面的坑還沒填好，后面又在坑上建房子了。

1.3 前面依然是商軟CAE的崇山峻嶺，但至少我們找到了一個上山的平臺

在研究商軟實(shí)現(xiàn)方式的過程中，很多次發(fā)現(xiàn)商軟都比我們預(yù)想的復(fù)雜，譬如殼單元的剛度矩陣，我們以為研究清楚了Abaqus中S4R、Nastran的Quad4等的修正方式，然后編程在iSolver中實(shí)現(xiàn)，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)商軟后面有更多的修正，再譬如雖然我們現(xiàn)在做的是求解器，但我們知道后面還有“前后處理”更麻煩，遠(yuǎn)比我們做求解器花的時間更多。商軟后臺的有限元大師和軟件架構(gòu)工程師們就像一個個絕世的高手，編寫了絕妙的解決工程問題的算法，在一個我們現(xiàn)在都無法測量高度的山峰上等待著別人去探尋，同時設(shè)置了無數(shù)的小山坡消耗你的體力。高手們可以騰云駕霧，但我等資質(zhì)平庸之輩只能老老實(shí)實(shí)一個一個山坡努力的往上爬，希望有朝一日領(lǐng)略到最后的山峰有多高，多雄偉。

我們并不是什么理論大牛，可能理論水平還沒有讀文章的你高，這么多年來一直在發(fā)展進(jìn)步僅僅是我們有一個還算完善的有限元開發(fā)平臺iSolver。這個平臺還有很多不足之處，但起碼滿足了前面我們所說的兩個特點(diǎn)：

（1）   可擴(kuò)展。整體按增量迭代法的流程實(shí)現(xiàn)，功能點(diǎn)的擴(kuò)展都以子程序的形式單獨(dú)添加，子程序的接口按Abaqus標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，框架和子程序完全獨(dú)立，可由不同的人維護(hù)。

（2）   易維護(hù)。我們從零開始整套代碼自己編程實(shí)現(xiàn)，對內(nèi)部的技術(shù)細(xì)節(jié)都非常清楚，新功能點(diǎn)開發(fā)和老功能的更改可以在相對較短時間內(nèi)完成。

因此，我們可以在這個平臺上不斷編程研究有限元理論和商軟的算法修正，也能將這種研究后的代碼轉(zhuǎn)換為程序放到這個平臺中，功能不斷的積累，后面研究新理論時可以站在以前的理論基礎(chǔ)上前進(jìn)，形成良性循環(huán)。同時，有些我們實(shí)現(xiàn)不了的部分也可以請專業(yè)性更強(qiáng)的單位協(xié)作開發(fā)。

1.4 邀請你一起上山

iSolver不僅是個求解器，同時也是個學(xué)習(xí)有限元和深入了解商軟內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的平臺。光看理論書很多公式都不夠直觀，而光操作商軟無論你花多少時間，總有個天花板在那，只有真正的自己編程才可能將書本理論、商軟操作和內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三者融會貫通。而iSolver相對商軟的二次開發(fā)編程來說，學(xué)習(xí)效率和成本也會降低很多，可以讓學(xué)習(xí)者更多的關(guān)注算法本身，而不用花費(fèi)太多無意義的時間在調(diào)試代碼上。我們在往后開發(fā)iSolver的過程中，也依然會在這個平臺上一步步的嘗試，如果有了新的功能，也會像現(xiàn)在一樣開發(fā)相應(yīng)的接口，配合視頻和文章，讓后來者在這個平臺上深入理解有限元的基礎(chǔ)理論和商軟的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

如果有興趣，你可以現(xiàn)在就下載iSolver嘗試一下，照著我們視頻中的例子做做看，紙上得來終覺淺，須知此事要躬行。在學(xué)習(xí)的同時你也可以開發(fā)屬于自己的材料、單元子程序，并形成自己的算法庫，在iSolver平臺上不斷積累，iSolver子程序的接口完全按照Abaqus的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，而Abaqus的子程序接口在近幾年內(nèi)已經(jīng)基本不再變化了，同樣的，雖然iSolver在不斷發(fā)展，但iSolver子程序接口將維持不變，所有在iSolver上編寫的算法子程序都只要維護(hù)自己的算法部分就行，而不是維護(hù)整個有限元求解的整個過程。

也希望你像我們一樣有一天突然覺得，原來自主的CAE也不是難于上青天，或許我也可以編程試試，一旦你開始自己編程，那么恭喜你，你將進(jìn)入另一個世界。也祝愿你有一天也不需要使用iSolver，而是在自己的平臺上摸索發(fā)展，國內(nèi)的CAE的發(fā)展需要更多的自主平臺。

（1）自主結(jié)構(gòu)有限元開發(fā)框架iSolver下載地址：

http://www.yqgqt.org.cn/content/post/337351

1)      1Mb的Abaqus插件程序

2)      1分鐘的安裝過程

3)      和Abaqus完全一致的使用方式

4)      編程效率遠(yuǎn)超F(xiàn)ortran的Matlab子程序開發(fā)

（2）邀請你一起學(xué)習(xí)有限元基礎(chǔ)理論和編寫單元程序：

http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c14948

深入淺出有限元：基礎(chǔ)理論->Abaqus操作->matlab編程

（3）邀請你一起學(xué)習(xí)有限元材料理論和編寫材料程序：

http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c13034

Abaqus用戶子程序UMat詳解與開發(fā)工具

1.5 特別感謝

（1）   特別感謝技術(shù)鄰，給了我們一個自由發(fā)揮、展示的平臺

（2）   感謝開發(fā)過程中給過我們指導(dǎo)、幫忙一起校核公式、調(diào)試程序結(jié)果、提供參考代碼的同行。

（3）   感謝線上線下交流、幫我們找問題、給我們反饋意見、指引我們方向的iSolver用戶，也許我們對你沒有多少作用，反而是你的意見對我們促進(jìn)很大。

（4）   最后，也要感謝強(qiáng)大的CAE商軟和理論大師們。在商軟面前，我們真的微不足道，對有限元的理論發(fā)展毫無創(chuàng)新，僅僅只是笨拙的仿制和翻譯。反而是商軟給了我們一個考核的標(biāo)準(zhǔn)和工作上的目標(biāo)，在深入商軟內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式的一個個征途中，當(dāng)研究了很久的問題和商軟對上的一剎那帶給我們心靈的滿足是其它東西無法代替的。

共同學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。

如果有任何其它疑問，歡迎聯(lián)系我們：

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