自主仿真軟件PERA SIM體驗-邊界元聲學
轉(zhuǎn)載自：CAE知識地圖
作者：畢小喵
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導
讀
“ 自主仿真軟件PERA SIM，新增邊界元聲學仿真。”
2020年末，安世亞太正式發(fā)布了其自主開發(fā)的通用仿真軟件PERA SIM。時隔近一年，現(xiàn)在的PERA SIM軟件進展如何？
最近，小喵有幸得到了PERA SIM最新版軟件的內(nèi)測體驗資格。一起來體驗看看吧~
雖然PERA SIM軟件的發(fā)布時間較短，但它已經(jīng)初步具備了比較全面的仿真功能。在PERA SIM產(chǎn)品定義之初，安世亞太就為其規(guī)劃了結(jié)構(gòu)、流體和電磁三大物理場。最近，PERA SIM又新增了聲學物理場。這篇文章，我們就用PERA SIM的聲學物理場來求解一個標準算例，與其他仿真軟件的結(jié)果做一個對比。
一、PERA SIM軟件界面
軟件安裝好后，桌面出現(xiàn)PERA SIM的圖標。軟件名為PERA SIM Space。
打開軟件時，一閃而過的歡迎界面中可以看到流體、電磁和結(jié)構(gòu)物理場的分析案例展示。
歡迎界面上，可以看到軟件支持結(jié)構(gòu)、流體、電磁、聲學四大物理場。
左上角選擇物理場，右側(cè)選擇對應的分析類型。下方是求解器、模型名稱等信息。界面設(shè)計很直觀，從下方按鈕可以看到，除了支持新建模型、打開項目以外，PERA SIM還支持運行Python腳本。點擊創(chuàng)建新模型，進入PERA SIM軟件的主界面。還是熟悉的界面布局，但圖標明顯經(jīng)過重新設(shè)計，下拉菜單等控件按鈕也進行了優(yōu)化，整體界面風格比去年發(fā)布會上展示的更清爽了一些。
（為了閱讀方便，截圖時縮小了窗口尺寸）
可以看到整個軟件界面上功能比較完善。左側(cè)是模型樹，中間是幾何窗口。菜單欄下面是一些視圖相關(guān)操作按鈕，圖標非常直觀。右側(cè)是選擇相關(guān)功能，可以單獨選擇點、線、面、體，支持框選和套索，還可以選擇單元的節(jié)點、邊、面和體單元。PERA SIM軟件包括草圖、零件、計算域、網(wǎng)格、屬性、任務(wù)、邊界條件、作業(yè)、結(jié)果共9個模塊。每個模塊獨特的功能區(qū)在幾何窗口左側(cè)。界面布局和Abaqus類似，但模塊的排列順序以及許多其他細節(jié)還是有較大差異的。
界面下方是基于Python 3.8的控制臺、信息窗口，還有右面兩個目前暫時是空白的窗口，分別是結(jié)果文件瀏覽器和數(shù)據(jù)視圖。界面允許自定義，不同的窗口也可以重排或是變成選項卡。
二、PERA SIM聲學案例
根據(jù)安世亞太官方的聲學產(chǎn)品介紹，PERA SIM Acoustics目前支持三維的聲學邊界元求解，可以實現(xiàn)并行計算功能。
這里我們用一個最簡單的標準算例，來演示一下PERA SIM聲學分析的功能和操作流程。
一個剛性球體放置于空氣中。在這個模型里，中間的球是聲學邊界元的邊界面；而周圍一圈圓環(huán)是聲場面。從無限遠處傳來強度為1Pa的入射聲波，經(jīng)過球體后聲音發(fā)生散射。
三、建模過程
從這個案例的建模過程中，可以看到PERA SIM的基本功能。因為在不同物理場之間，建模、網(wǎng)格劃分等模塊都是通用的。首先，在零件模塊可以直接創(chuàng)建球。
然后通過 提取面 功能，將球體轉(zhuǎn)換為球面。
對于外側(cè)的圓環(huán)場，可以在草圖模塊中創(chuàng)建圓環(huán)，生成零件。
進入計算域，建立球面和圓環(huán)場面的實例。
四、網(wǎng)格劃分
在網(wǎng)格模塊中，可以進行全局和局部的網(wǎng)格控制。網(wǎng)格尺寸設(shè)置中，默認使用自適應大小，將按照特征尺寸的百分比來劃分網(wǎng)格。
局部網(wǎng)格控制窗口可以選擇一維（邊）、二維（面）和三維（體）進行局部網(wǎng)格控制。為了在圓環(huán)場面劃分映射網(wǎng)格，我們選中內(nèi)外兩側(cè)邊，指定分為100段。
定義好的局部網(wǎng)格控制，會在左側(cè)模型樹中顯示為網(wǎng)格控制對象。這個設(shè)計讓用戶可以很方便的查看和修改所有的網(wǎng)格控制參數(shù)。
網(wǎng)格劃分結(jié)束后，在界面的右上角可以切換幾何與網(wǎng)格顯示。
對于這個聲學案例，中間的剛性球體單元法向必須向內(nèi)。PERA SIM在聲學的網(wǎng)格劃分模塊中，支持查看和修改單元法向。
五、分析設(shè)置
在屬性模塊中，可以編輯聲介質(zhì)的屬性。包括密度、介質(zhì)中的聲速、參考聲壓等。PERA SIM會在材料窗口默認幫你填好空氣的介質(zhì)參數(shù)。然后將這個球面和圓環(huán)面分別指定為聲邊界面和聲場面。
切換到任務(wù)窗口，我發(fā)現(xiàn)PERA SIM已經(jīng)默認創(chuàng)建好了一個分析任務(wù)。這個小細節(jié)還是很不錯的。可以看出PERA SIM在設(shè)計界面的時候有自己獨特的思考，對于一些固定的操作流程，盡量將默認設(shè)置給用戶做好。
一個驗證案例，我們來求解從54到540Hz的10個頻率點。在求解方法面板中，可以看到目前支持的求解器類型共有四種。這里使用默認的快速多極子方法。
邊界條件方面，這是一個剛性球，受到-x方向大小為1的平面入射波。所以對球面施加法向粒子速度為零的約束。聲源選擇(-1,0,0)方向的聲學平面波。
六、計算結(jié)果
跑出結(jié)果啦。在后處理中，可以查看聲場壓力的實部和虛部，以及合壓力Magnitude：對應最低頻率54.59Hz的結(jié)果：
壓力數(shù)值最大1.45，最小0.86同樣的驗證案例，在Comsol聲學模塊的案例庫中也有。從云圖的范圍可以看出，PERA SIM的求解結(jié)果和Comsol是一致的。
七、使用體驗-后記
雖然這個案例計算的是聲學，但從中也可以體驗到PERA SIM的許多通用功能。比如整個GUI界面的布局、選擇集的使用、網(wǎng)格劃分功能、邊界條件的定義、以及求解和后處理中云圖的展示等。
我自己體驗后的感覺是，目前版本的PERA SIM已經(jīng)具備了比較完善的基礎(chǔ)功能，而且在界面設(shè)計的風格和細節(jié)上 相比去年發(fā)布會上的展示也有不小的進步。雖然從整個界面的布局中能看出Abaqus的影子，但在許多細節(jié)上，例如在左側(cè)目錄樹中保留網(wǎng)格劃分控制對象、默認填寫材料參數(shù)、默認創(chuàng)建分析步和計算任務(wù)等地方，還是可以看出設(shè)計者的獨立思考。這篇文章寫的比較詳細，但其實這并不是一篇教程，畢竟目前據(jù)我所知PERA SIM還沒有向外界大規(guī)模開放測試。我把操作寫詳細的目的也不是要教會讀者哪些操作步驟，只是希望能讓讀者更多的看到這款軟件界面上的一些細節(jié)。
過去幾十年人們常說中國計算機行業(yè)“缺芯少魂”，中國工業(yè)也同樣缺芯少魂。但我們也能欣喜的看到，在每一個尖端領(lǐng)域，現(xiàn)在都已經(jīng)有一些為解決“卡脖子”問題而生的自主公司走到了產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的階段。從存儲芯片行業(yè)的合肥長鑫、長江存儲，芯片制造行業(yè)的中芯國際，到芯片設(shè)計領(lǐng)域的平頭哥、紫光，我們普通消費者逐漸都能在這些行業(yè)買到全國產(chǎn)的產(chǎn)品。今年雙十一，我就下單買了一條使用長鑫顆粒的國產(chǎn)內(nèi)存。就在前些天，小喵使用的并行超算云剛上線了“先導一號”超算分區(qū)，據(jù)說就使用了國產(chǎn)的海光 x86 CPU。華為在11月9日的操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)峰會上宣布向開放原子開源基金會捐贈歐拉操作系統(tǒng)。中國在計算機領(lǐng)域的“缺芯少魂”正在逐步解決。
而工業(yè)領(lǐng)域，CAE作為最重要的工業(yè)軟件類別之一，我們也能看到包括安世亞太在內(nèi)的許多中國公司為實現(xiàn)CAE自主化做出的努力。雖然現(xiàn)在看來我們和國際巨頭的差距還很大，但道阻且長，行則將至。今年以來，進入CAE領(lǐng)域的風險投資增加，也有越來越多的初創(chuàng)公司或老牌企業(yè)進入自主CAE這一賽道。我想，就如同每一位中國程序員心中都或多或少曾期望能用上中國自主的芯片和操作系統(tǒng)一樣，我們每一位中國的CAE仿真工程師也都有過發(fā)展自主仿真軟件的情懷和夢想。我們知道，無論是操作系統(tǒng)，還是仿真軟件，如安世亞太的田鋒總所說，都是時間的孩子。都需要下苦功夫，用時間和心血澆灌才能茁壯成長。
必須承認，PERA SIM軟件與世界一流的仿真軟件相比還有很大差距，還有很長的路要走。它的功能還不夠豐富，還需要繼續(xù)完善。九層之臺起于壘土，以目前PERA SIM軟件的狀態(tài)來說，地基可以算基本完成，已經(jīng)在逐漸建起高樓了。
希望PERA SIM能繼續(xù)堅持，不斷進步。到明年，后年，希望能看到它的2022、2023版本，看到它真正走進制造業(yè)企業(yè)，實現(xiàn)“賦能開道”，完成滿足用戶剛需、替換進口仿真軟件的使命的那一天。
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