Altair 30 年創新之路（Hypermesh強大之處）

2016-11-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

Altair 擁有顛覆性技術基因,能夠促使組織從根本上改變產品設計和決策制定之道。

30 年前的夢想如今已經孕育出一家全球性企業,立足幫助組織從根本上改變產品設計和決策制定之道。當然,若非如此,Altair 何以取得今日成就。

自 1985 年成立以來,Altair 一直致力于為客戶提供創新的產品和服務。Altair公司不僅研發出了穩健的計算機輔助工程(CAE) 軟件,而且還通過收購與合作創建了享譽全球的仿真套件HyperWorks®。

Altair 公司的求解器技術幫助用戶實現了更高效的結構設計。工程師們借助其快速、逼真的建模與可視化工具可研究更多的概念設計并快速地對問題進行求解。另外,通過 Altair 基于 unit 的專利許可系統,工程師們可在眾多的設備上按他們想要的方式工作,對大到基于云計算的超級計算機,小到手持設備,都能有效提供支持。

一家公司從創建伊始成長為一個價值百萬美元的創新實體憑借的是什么?管理層深知其中的奧秘,他們愿意分享這幾十年來 Altair 如何憑借其對技術趨勢的準確判斷來不斷實現發展壯大的所見所感。

建模與可視化:逼真的結果

1985 年,汽車工業正在從一場經濟衰退中復蘇,CAE 工具也開始獲得了行業的認可。三位工程師,George Christ、Mark Kistner 和 Jim Scapa 共同創建了 Altair,幫助汽車制造商們慢慢地了解了這項新工程技術的益處。

但是,這些工程咨詢師和他們的團隊不久便意識到,既有的CAE 解決方案與理想中的相去甚遠,因此他們在1988 年決定開發自己的軟件。截至 1990 年,公司發布了 HyperMesh®,這是一個有限元前處理和后處理工具包,可用來進行產品的虛擬設計和工程。它比競爭對手產品的運行速度快了 20 倍。

上世紀 90 年代的有限元模型通常都是僅包含幾千個單元的粗略模型。上面顯示的是大約 90 年代中期的 Altair HyperMesh

據 Altair 用戶體驗部首席技術官 JamesDagg 回憶,1987 年,他在 Altair 公司的部分職責就是應用 Fortran 編寫軟件以實現當時工具的自動化。

Dagg 回憶說:“這一款前沿的軟件利用了一些非常小的模型,大概由幾千個單元構成。我們會運用線性分析對子系統中少數組件進行研究,僅考察在少數幾種負載情況下的應力情況。那時要通過測量圖紙上各點的坐標來構建模型,將坐標輸入軟件,然后主要依靠手動來創建有限元。”

Dagg 解釋說,結果幾乎都是靜態的。然而,在上個世紀 90 年代早期,基于 Unix 的工作站供應商引進了定制的 3D 圖形,實現了基礎的動畫和可視化功能。由于這種機器的內存以 MB 并非以 GB 計,大模型應該少于 10 萬個單元。隨著時間的推移,計算能力的提高,對 OpenGL 這類圖形語言的使用也越來越普遍。CAE 群體利用了這次機遇。

Dagg 進一步表示,隨著 HyperMesh 的發布,工程師們可以憑借其尖端的硬件和創新的用戶界面,以更快的速度構建并顯示更大的有限元模型。這引起了建模及仿真的速度和規模發生了巨大變化。

在新千年中,硬件供應商開始開發具有專業圖形處理單元(GPU) 的顯卡,可以迅速將圖形顯示在屏幕上。顯卡內存的速度越來越快,運算量也隨之增大。

在游戲業需求的推動下,經過優化的顯卡為技術社群帶來了更加理想的性能。由于建模和可視化速度加快,工程師們因此能夠進行更多的探索,以設計出各種不同的概念產品并對問題進行求解。

據 Dagg 介紹,“當人們與軟件進行交互的時候,他們總希望軟件可以做出快速響應。他們不希望自己的創新思路受到任何事情的干擾。這意味著不但軟件和硬件的性能要十分出色,工作流程也應該非常直觀、高效并且響應及時。

以今天的標準來看,在上世紀八、九十年代,工程師們并未實現與模型非常有效的互動。因此,Altair 將關注點放在了為工程師構建更好的用戶界面上。

Dagg 說:“我們的使命是使新工具更容易上手、激發使用興趣并非常高效。”經過幾十年的發展,建模的范圍發生了怎樣的變化呢?據 Dagg 介紹,“仿真不但要能夠處理極大系統模型,如整個的石油鉆井平臺和完整的汽車和飛機模型,也要能夠解釋微小的細節,小到材料的微結構層面。Altair 軟件使用戶可以對材料本身的纖維和空洞進行建模,從而能讓我們更好地理解并解決材料失效問題。”除此之外,工程師們不再受限于僅僅關注單一的子系統或產品,而是能夠研究產品之間的交互作用以及如何對它們施加控制。Dagg 說道:“我們通常將產品放到使用環境中來系統考察產品的性能,而不是進行孤立的研究。”

這種趨勢促成了“公共模型”(而非按不同工程原則創建的多個模型)的采用,以及用戶能夠執行多物理量仿真的需要。

Dagg 解釋說:“最終,我們需要同時考慮同一個設計的各種性能特征,以得到在安全、性能、成本和可制造性等各方面都進行過權衡的、真正的最優設計。”

Dagg 和他的團隊還一直致力于獲取海量工程知識并將其內嵌到他們的軟件中。他引用了一個 Altair HyperWorks Virtual Wind Tunnel 解決方案的例子,該方案借助一個非常簡單的用戶界面,在風洞測試室中自動為非專業用戶進行車輛的設置,但是卻包含了復雜的計算流體動力學 (CFD) 技術。

Dagg 說:“我們利用過去的三四年時間,深入地了解了虛擬風洞的工作人員是如何工作的,即他們需要如何對測試以及影響他們解決方案的各種因素進行設定。他們的知識是構筑在基礎軟件之上的。在典型情境當中,用戶可以將汽車模型停在屏幕顯示的風洞當中,可輸入風速和若干參數。該軟件在幾小時之內就會給出求解結果。

Dagg 總結到:“是工程師們推動了我們的軟件開發。”“Altair 是一家工程公司,這會切實我們解決方案的思路。”

“是工程師們推動了我們的軟件開發。Altair 是一家工程公司,這會切實我們解決方案的思路。”

——Altair 用戶體驗部首席技術官James Dagg

今天的有限元模型包含數百萬個單元,可以精確地理解并優化系統級性能。全新 HyperMesh 用戶體驗(上圖)即將發布

求解器:成功的關鍵

Altair 的求解器和優化部首席技術官 üwe Schramm 回憶到,在上世紀 80 年代,一些行業的工程師在他們的分析過程中將構建只具有幾千個單元的模型。通常,每個節點都需要手動輸入。

分析任務在昂貴的大型主機上運行,而且需要等待幾天才能收到結果。

在上世紀 90 年代,設計驅動因素是像汽車制造商那樣的大公司的物理實驗。按照 Schramm 的說法,那時還從未出現基于計算機仿真做出設計決策的情況。

工程師們當時是將物理實驗結果與仿真結果相比對,從而找出失效模式或改進計算方法。這樣,逐漸涌現出一些工程專家和分析師,這些人具有解釋有限元建模 (FEM) 和有限元分析 (FEA) 結果的專業知識。

盡管求解器技術最初只是在大型主機上運行,但隨著時間的推移,工程師在臺式電腦上運行工作站的情況越來越普遍。

由于 HyperMesh這樣的建模軟件可以從市場上買到,工程師們因此開始在他們的工作站上進行仿真。Schramm 解釋說,隨著計算平臺的改進,作為數學引擎的求解器已極大地提高了運行速度,工程師們也開始構建規模更大、更復雜的模型。這些復雜模型激發了對高性能計算 (HPC) 平臺的需求,包括計算集群(大型主機技術的繼承者)。

另外,由于模型的尺寸和復雜度都有所提高,軟件開發商將更多的物理場集成到求解器中,由此催生的觀念是人們需要的不只是多物理場仿真,而是需要多物理場驅動的設計和優化。如今,Altair 的 HyperWorks CAE 軟件套件具有對結構、碰撞、安全性、撞擊和爆炸、傳熱、流體動力學、制造、電磁和系統仿真進行多物理場分析和優化的功能。

同樣在上世紀 90 年代,學術和科研群體開始研究結構優化概念,他們開始利用CAE 的優化技術(相對手動的迭代程序)來微調設計特性以滿足項目目標。Altair 意識到了這個行業的主要趨勢,便開始與密歇根大學就其進行中的研究項目,即稱為拓撲優化的新研究領域展開合作。

簡單來講,拓撲優化也稱為形態建成、生物仿生和生成設計技術,可以在給定的負載和邊界條件下找到設計空間中的最佳材料分布。1993 年,Altair 發布了第一款商業版拓撲優化軟件 OptiStruct®并在 1 年后憑借這款開創性的優化軟件斬獲了 IndustryWeek 雜志年度最佳技術獎。

OptiStruct 的開發人員從一開始就在軟件的易用性和功能性上下足了功夫,為今后的市場推廣提供助力。

他們關注的一個領域是將制造約束條件引入到設計過程中。Schramm解釋說,如今這一點得到印證:OptiStruct開發的最強大背景驅動因素包括增材制造(AM,也稱 3D 打印)和新材料引進,包括復合材料。

AM 可將通過材料分布優化構想出的設計實際生產出來,并且幾乎無需返工。一些過程甚至可以實現在單個部件上使用多種材料。3D 打印過程可輔助 OptiStruct 實現最有效的結構設計。Schramm 指出,使用復合材料時,可以根據具體使用情況和負載條件實現對設計的高度定制。計算機仿真和優化可以聯合實現對無限不同情形的評估,通過考慮層合板的形狀、位置、方向、材料和層疊順序來獲得滿足產品性能、重量和成本目標的最佳解決方案。Schramm 說:“我們正在創造的每個產品,如計算機或汽車,其實都是一個系統,而這正是影響我們技術發展的主要因素。這就解釋了我們為何要從系統層面來尋找設計方案,因為我們需要對系統的各種問題進行仿真。是設計的整體觀導致我們將所有事物組合在一起考慮。”

據 Schramm 預測,未來的仿真軟件將會擁有更精確的建模能力,從而使用戶能夠執行更多的仿真和開發出更好的產品。另外,軟件將以愈發強大的計算資源為依托,進一步縮短完成復雜建模任務的時間。

像 Altair FEKO 這樣的電磁仿真求解器已發展到可以求解諸多復雜問題

借助 Altair RADIOSS 的流體結構耦合 (FSI) 可實現同時對流體(氣體或液體)和結構行為進行仿真

云計算:范式的轉變

30 年前,處理能力更像處于幼兒期。超級計算機(具有頂尖處理能力的機器)作為一個平臺,主要被政府、科研和學術機構租用。

由于其價格極其昂貴,私有公司很少購買、運行并維護它。

20 世紀末,諸如大型汽車公司這些原始設備制造商開始利用這些高性能計算 (HPC) 平臺——超級計算機和“迷你超級計算機”——處理復雜的任務。

這些共享的 HPC 資源使工程師們可以運行更多的虛擬仿真并對其設計進行驗證,這在提高了產品質量的同時,也使得產品能夠更快上市,但是通常成本不菲。

新千年出現了新的計算景觀,為工程師們提供了從高端的HPC 系統到低端的移動設備,這樣前所未有的豐富硬件資源。AltairHPC/云部首席技術官 SamMahalingam 解釋到,隨著處理能力、內存、網絡等的性能提升,價格變得更加低廉,加之互聯網無處不在,Altair 為工程師們提供了另一種選擇,即在“云端”進行工作。

Mahalingam 解釋說,當前主要有兩種趨勢在驅動云市場的發展,使用戶可以更低廉的價格購買到 HPC 平臺。第一種趨勢是可擴展性,即投入大量的資源一起來解決極其復雜的問題。第二種趨勢是“公有云”的出現,將軟件即服務 (SaaS)、平臺即服務 (PaaS)和基礎設施即服務 (IaaS) 整合在一起,以此來降低資本消耗,提高可變成本。(相比之下,“私有云”通常設置在公司內部的防火墻后,資源被視為受到限制。)若要利用公有云解決方案開發產品,公司要面臨兩個難題,一是要研究海量的技術問題,二是缺乏安全感。另外,公司需要估算他們愿意付出多少資金來解決問題。在公有云中,硬件資源被看作是無限的,但是對軟件資源來說并非完全如此。

Mahalingam 說:“通常來講,挑戰在于軟件許可證數量和公司在軟件上的資金投入。”一家公司可能聲稱:‘我能在 5 分鐘內獲得結果,但我需要使用 2 萬個節點。’這 2 萬個節點又需要多少程序許可證呢?”

這就是為什么 Altair 利用其現有的產品和服務為客戶提供私有的和公有的云方案。據 Mahalingam 介紹,Altair 大量的應用程序組合以及豐富的 HPC 負載管理解決方案可以幫助大、中和小型客戶利用私有云或公有云計算策略。

例如,HyperWorksUnlimited 實體應用是一種私有云解決方案,提供全面配置的硬件和軟件,用戶可無限使用應用(容易實現的裝置)內所有的 Altair 軟件。通過租賃給用戶,可將 HPC 投資資金轉換為 HPC 運營費用。該統包系統加載有 Altair 應用程序和 HPC 工具,部署更簡單。同時,憑借其開放式架構,用戶只需每月繳納一定費用,即可在自帶許可證 (BYOL) 模式下實現第三方求解器的完全集成。

Mahalingam 解釋到,用于亞馬遜網絡服務的 HyperWorks Unlimited – Virtual (HWUL-V) 是公有云解決方案,其將 Saas、PaaS 和 IaaS 用戶匯集到一個門戶。它將不限制使用的 HyperWorks CAE 套件與 PBS Professional®、Altair 的 HPC 負載管理器以及可實現大數據 HPC 訪問和遠程可視化的智能應用感知門戶融為一體。Mahalingam 表示,“虛擬應用真正的亮點在于,公司不需要本地部署服務器基礎設施,

即可以直接使用公有云基礎設施。他們只需要一臺筆記本電腦和一個瀏覽器,就可以開始對他們的設計進行仿真。”那些本地部署了服務器的公司,在達到峰值負荷,內部計算資源用盡時,可以利用虛擬應用;也可以在自己的服務器網絡中部署 HWUL 虛擬應用使其在私有云環境中運行。

Altair 的 HPC 云解決方案的創新之處在于其設計簡單并與 Altair 的軟件許可模式相匹配。Mahalingam 介紹到,“通過將硬件和軟件結合到一個應用方案中,大、中和小型公司都能即時優化其設計,迅速向市場推出優質產品。”

云 CAE 應用將推動大規模仿真和多物理場優化。上圖顯示的是使用 Altair AcuSolve 計算的一個具有 10 億單元的 CFD 仿真

未來 30 年:繼續突破極限

Altair 公司董事長兼首席執行官 Jim Scapa 在上世紀七十年代末就在底特律汽車行業開始了他的職業生涯,至今仍記得使用企業自身開發的代碼對汽車制動器進行測試與仿真的歷史。當他和他的同事們組建 Altair 時,Unix 工作站和個人電腦才剛剛開始進入工程應用。

Scapa 說道,“當我們引進 HyperMesh 時,它還是一款創新軟件,因為它利用了新的計算架構。我們把模型存入到內存中,在那里處理圖形的速度很快。當我們將 HyperMesh 移植到 Unix 工作站后,軟件的運行速度快了 20 倍。”

他認為公司成功的部分原因是對技術發展趨勢的利用,例如計算基礎設施。“我們已經處于采用新技術和引進創新理念的前沿,”Scapa 說到。此外,Altair 通過合作、并購或商業化研究(如 OptiStruct)尋找新技術來保持領先地位。雖然最初并沒有看到拓撲結構優化的市場空間,然而今天它卻成為一種主流技術,并且從未如此貼近市場,因為它補充了 3D 打印且能夠塑造有機形狀和結構。

Scapa 解釋說,公司在向市場推出前沿技術之前,往往耗時數年進行研究:“我們有豐富的經驗,有能力創造無論是業務還是技術層面的精品,因為我們產品與服務延伸了我們多年的專業積累。”他引用了 Altair 數據分析和云計算的解決方案作為例子。

Scapa 認為未來十年有若干前沿領域將經歷轉型。他說:“我們預計真正的仿真驅動設計將成為產品開發過程的核心。它將釋放人類的創造力,通過與設計人員交互得出最佳方案。CAD 將是這整個過程的一小部分。”他解釋說,雖然目前 CAD 工具常用來記錄設計,但是在未來它們將只是仿真工具的“檢查程序”。

未來對企業市場的軟件開發(特別是在計算、流程和數據管理方面)起到關鍵作用的一個新興趨勢將是開源工具和技術。據 Scapa 介紹,相較追求專有解決方案的公司來說,開源社區將能夠更快地加速企業市場的技術發展。為此,Altair 已經宣布要向開源社區公開 PBS Professional 的代碼(見 22 頁,Altair 即將公開 PBS Professional HPC 技術的源代碼)。開源社區還將在促進機器學習和分析方面起重要作用。就工具而言,機器學習算法庫更有可能出現在開源社區,而構建仿真解決方案的應用程序和建立應用程序的工具將仍然更為專有化。

Scapa 還指出未來的用戶體驗更直觀、工作流更容易:“(用戶的)最終目標是幾乎不用在意使用工具的人體工程學。人體工程學將變得完全不顯眼,就像開車一樣普通。”

Scapa 說從業 30 多年,他才剛剛入門。“我對我所從事的工作仍然充滿激情。我們樂此不疲,努力為世界和市場做出貢獻。”若非如此,仿真用戶何以獲得先進的仿真工具。

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