在许多重要装备制造业，如大型复杂装备、航空航天、汽车船舶等领域，当前数字样机技术的使用已经从早期侧重于产品的几何建模和性能估算，向复杂精准的数值性能分析和自动优化设计技术转变。随着精准复杂物理场模拟要求的提出，需要凭借高性能计算机进行大规模数值计算。为区别常规数字样机，我们把基于运用超级计算机进行大规模数值模拟的数字样机技术称为高端数字样机(High End Digital Prototyping，HEDP)技术。本文将围绕高端数字样机的特殊性能要求，着重介绍其针对各类应用物理模拟的支撑技术。
CAD数据转换
当前产品设计多数由不同组织和公司协同完成，产品开发往往使用不同类型的软硬件和CAD系统。虽然IGES和STEP等国际标准被广泛地用在工业界，但这些数据交换标准可能丢失高层的设计信息。由于不同系统之间的误差和算法不同，在原始系统中有效的模型，经过IGES或STEP交换后，可能在接收系统中变成无效模型。另外，在进行CAD系统和CAE系统数据转换和数据映射时，由于对产品的特征模型的定义和要求并不完全兼容，也会产生许多新问题，如CAD系统的公差以及细节特征的处理、CAE系统所需的实体拓扑关系的重建等。因此，研究更有效的产品数据交换方法非常必要。
CAD数据交换比较前沿的技术是特征级数据交换，研究的技术包括元素永久命名一致性、统一几何误差和准确度、歧义性消除等。当前STEP标准的第108部分(几何产品造型的参数化和约束条件)正在制定，专门解决这些问题。
当前CAD系统到CAE系统的转换一般都进行了某种简化，通过补洞等手段处理公差问题，然后进行必要的拓扑关系重建。
图1 飞机发动机进气道表面缺口的检测
图1给出了一个处理飞机发动机进气道出现几何缺口的实例。在检测到存在缺口后，可以手工或自动修复该缺口，以生成有效的CAE模型。除此之外，可行的技术方案还包括实体的离散表征，即利用三角形或四边形面片近似表征CAD模型，随后在此基础上进行几何有效性检测、几何修补以及曲面网格细分和优化等工作。这一思路以牺牲几何模型的精度为代价，达到降低相应算法的开发难度和提高算法的健壮性和自动性的目的。
几何网络生成
在物理场现象与过程的计算机模拟中，网格生成是使问题得以解决的基本途径。由于网格生成过程需要的人工干预多，算法收敛性缺乏理论保证，对于复杂的计算区域，网格生成通常要占据整个数据准备时间的百分之七十以上，所以网格生成是问题求解的主要瓶颈之一，制约着数值模拟的大规模的应用。作为一个独立的研究领域，网格生成已经发展了四十多年，对它的研究至今仍然非常活跃。
当前研究特别强调的是网格生成技术和数值求解技术的结合，除强调自适应求解环境构建的重要性，更深一层含义是避免出现过于强调通用网格生成技术的研究而忽视应用特定的网格生成及其处理技术的研究。例如，在涡轮机械与推进系统的流体流动分析中，应用混合网格可以很好地利用结构化网格和非结构化网格的各自优势。使用DRAGON(Direct Replacement of Arbitrary Grid Overlapping by Nonstructured grid)混合网格生成方法，通过用非结构性网格对任意结构性网格的重叠部分的直接替换生成混合网格，结合了两个方法的优点，大大地减少了网格生成过程中的人工工作量。
图2 DRAGON网格技术应用于气膜冷却涡轮叶片分析
除此之外，网格生成技术研究重点关注的领域还包括粘滞性流体边界层网格生成、各向异性网格生成、混合网格生成及三维结构化网格生成等。
大规模数据可视化
可视化本身是数据密集和计算密集型的应用，对存储、传输、计算和绘制的要求都非常高，而高端数字样机性能仿真产生的海量数据对科学可视化提出了更高的要求。例如，现代飞行器设计和分析获取的计算和实验数据量往往达TB~PB量级，而且具有时变、高维和多属性的特征，传统的可视化方法和软件难以分析如此规模庞大和复杂的数据。
当前大规模数据可视化技术的研究非常活跃，主要包括以下几个方面：(1)数据压缩和简化；(2)多精度可视化；(3)可见性裁减；(4)外存算法(out-of-core)；(5)GPU硬件加速；(6)点绘制方法(Point-Based Rendering，PBR)；(7)并行与分布式可视化。
沉浸式设计平台
沉浸式设备提供的信息感知渠道非常丰富，有助于设计人员对问题的快速把握和全面认识。一方面，大场景的沉浸式展示能使用户对产品有身临其境的直观感受，能充分利用人类本能的模式识别能力和直觉感知能力，使得数据场的特征发现非常容易。另一方面，立体显示能提供深度信息，数字样机针对的现象有许多是三维甚至高维空间中的，增加一个维度信息的显示能拓宽观察范围。
未来的高端数字样机设计环境可以将计算操纵和可视化完全放入虚拟现实环境，建立一个虚拟而又逼真的实验室。但由于当前虚拟现实技术还远不够成熟，设备价格昂贵，使用复杂，还没有到可以大范围推广使用的地步，沉浸式的高端数字样机设计环境还处于研究阶段。
在诸多先进的可视化设备中，基于通用设备的可伸缩立体显示墙是一种性价比非常高，容易实现和维护的立体大屏幕显示设备。这种立体显示墙由使用微机集群驱动一组普通中低档投影仪构成，投影仪可以拼接成各种需要的尺寸和形状。投影仪阵列中每两个投影仪形成一个立体投影对，投影到屏幕上的同一区域，实现被动立体。通过计算机视觉的方法可以实现投影图像几何和色彩上的无缝拼接，所以投影仪位置不需要物理上精确定位，其安装和维护的成本都比较低。由于完全使用标准硬件，构建的方法和支撑软件都有良好的可伸缩性，所以用户可以在一定的限制内，根据需要非常迅速地搭建多种分辨率和显示尺寸的显示墙。在单人使用的场合下，头戴式显示及小型球幕等个人用沉浸式显示设备则更加适合。
图3 立体显示墙上可视化飞机流场和压力等值面
系统集成
传统的数字样机设计过程中要混合运用大量不同的软件工具，而软件耦合松散，任务调度混乱，往往无法充分利用硬件资源。高端数字样机性能仿真使用的数学模型越来越复杂，要求的精度越来越高，因此有几个显著的特点：一是使用的计算、存储和网络等资源都急剧增加，对并行和分布式计算越来越依赖；二是计算的组织形式发生了变化，多人、多组织间的分布式协同，多学科专家合作等形式逐渐成为必须；三是海量数据的分析和显示超过了普通单机的能力。因此，在组织这种性能仿真时，需要新的计算机基础架构。
图4 用于大规模科学计算的可视计算环境概念图
图4是一种新型的数字样机设计中心的概念图。在这种模式中，一个高端的数据分析中心是进行计算组织和数据分析的必要场所。在数据分析中心，多个科学家可以借助高分辨率、大尺寸的立体显示设备，同时沉浸或半沉浸式地观察、讨论和分析问题，并与远程的科学家一起协同，实现大规模问题的求解。而问题的具体计算则可以利用远程各类资源，包括计算服务、存储服务、数据服务，以及软件服务等。
数据分析中心除了数据的可视化之外，也是计算的组织、运行和管理中心，问题求解环境是实现这些功能的基础平台。问题求解环境(Problem Solving Environment，PSE)是指为求解某一类问题提供所需要的全部计算技术和工具的计算机系统。PSE研究的基本目标是充分利用各种计算机软硬件技术来加速计算科学家进行问题求解的过程。它是一个开放的概念，其具体功能随着计算机技术的发展不断改变。
PSE的思想早在20世纪60年代就被提出了，但由于计算机技术的局限，直到20世纪80年代末才逐渐有原型系统出现。PSUE，EEMAS和HEDP都是典型的问题求解平台，能通过加载各类计算模块，实现多学科、大规模科学计算。
图5 HEDP系统典型用户界面截图
HEDP系统是浙江大学开发的自主知识产权的高端数字样机系统。HEDP系统使用模块化设计和黑板架构，模块可以动态插入，即插即用，协同解决特定问题。其特点包括交互式可视操纵、多人协同、并行和分布式计算能力，以及立体可视化等。
《高端数字样机技术及应用》全面系统地展示了HEDP系统研制及应用成果，深入介绍了HEDP系统所涉及的计算方法与理论、前后处理与并行计算等关键支撑技术，同时还介绍了基于HEDP系统开展的部分典型数值模拟工作。该书包含了作者及其研究团队在计算力学相关理论与方法研究上的创造性成果，系统性强，内容新颖，且大多数成果已在多领域的数值模拟应用实践中得到验证和完善，对类似软件系统的实现具有很好的参考价值。
——钟万勰
中国科学院院士
本文由刘四旦摘编自郑耀、解利军著《高端数字样机技术及应用》（北京：科学出版社, 2015.11）一书“第一章 绪论”，有删减。
(当代杰出青年科学文库)
ISBN 978-7-03-045895-7
数字样机技术是使用计算机模型来代替真实物理样机的技术。当前数字样机技术已经从早期侧重于产品的几何建模和性能估算，向复杂精准的数值性能分析和自动优化设计技术转变。基于运用超级计算机进行大规模数值模拟的数字样机技术称为高端数字样机技术。
《高端数字样机技术及应用》介绍作者的科研团队在高端数字样机系统研发和应用方面的科研实践，涉及其主要支撑技术与具体系统实现；从流体力学、结构力学与多场耦合、燃烧学等三个方面，介绍高端数字样机技术在航空航天等领域的典型应用实践。本书主要面向航空航天、高速铁路、能源动力、机械制造等行业的数字化设计与分析，以及计算力学等领域，可供高等院校和科研单位相关专业的高年级本科生与研究生科研人员、工程技术人员参考。
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