模块化智能仿真软件框架的设计、实现与应用

    0 引言

    数值模拟与仿真在工程设计与科学研究中发挥着越来越重要的作用。2006年美国国家科学基金会蓝带委员会发表研究报告《基于仿真的工程科学》，认为仿真技术是推动工程科学发展的革命性力量。不同于CAD技术，利用仿真技术解决工程问题既需要理解底层的基础理论，还需要熟悉复杂的软件操作和参数选择，对用户的高要求无疑阻碍了数值模拟与仿真技术的应用，这种情况在我国尤甚。为降低数值模拟技术的应用难度，人们开发了面向行业的专用仿真软件，如模流分析软件，压铸工艺分析软件，钣金成型分析软件，旋转机械设计分析软件以及复合材料设计软件等。这些智能的仿真软件融合了行业知识和最佳的建模方案，大大提高了建模的效率和分析的可靠性。

    由于能对繁琐、易出错的建模工作进行自动化的处理，近些年来，许多行业对智能化的仿真软件提出了更多的需求和要求。由于几何建模、网格划分和计算求解之间的相关性和依赖性，开发智能化、自动化的仿真软件首先要能统一地管理这些复杂的模型数据，这给开发智能仿真软件带来了很大的困难。然而，虽然应用领域各不相同，但这些面向行业的智能仿真软件对底层功能（如几何建模、网格划分、结果显示等）的要求却基本相似，因此软件结构也相似。因此，一套具备完善的底层功能的通用仿真软件框架将会为开发智能化的行业仿真软件提供巨大的便利。

    受工业需求的驱动，本工作设计并实现了一个简洁、灵活的通用仿真软件框架。该框架以数据管理为为核心模块，采用面向对象技术定义了几何建模、网格划分、计算求解、后处理以及图形显示和交互等功能模块的架构，采用C++语言完成了该框架软件的开发。基于此软件框架，可以高效地完成智能仿真软件的开发和部署。最后以两个典型的应用，即高压输电杆塔的建模和力学分析软件以及核电站氢气安全分析软件为例，展示该框架软件的实际应用。

    1 软件架构设计

    根据数值模拟与仿真软件的功能要求，该软件框架包含数据管理、几何建模、网格划分、分析求解、数据可视化和图形显示与交互等功能模块（图1)。采用这种架构的优点是数据模块高内聚且低耦合，方便扩展，易于维护。

    图1 模块化仿真软件框架的结构

    由于数值模拟和仿真软通常要管理非常复杂的数据（比如几何模型数据、网格数据、标量或矢量场数据以及定义材料属性、边界条件和其他信息的各类参数)，而数值模拟软件的核心功能也是创建和管理这些数据，因此以统一的方式管理这些数据将会为数值模拟软件的开发带来巨大的便利。因此数据管理模块是本软件框架的核心，各功能模块均会与该模块进行数据交换。数据管理模块的基本架构如图2所示，所有的数据均定义为对象(Object)。几何（Partlnstance)、网格（Meshlnstance)和结果（Resultlnstance)等复杂数据均定义为带参数的元素（ElementWithProperties)，几何连接关系、材料、边界条件和载荷等数据作为基本数据的各种参数(Parameter)进行管理。