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1、編寫說明CAE（Computer Aided Engineering，工程設計中的計算機輔助工程）軟件是制造業核心工業軟件，被譽為工業軟件領域“皇冠上的明珠”，是一種綜合性、知識密集型信息產品，融合了物理學、數學、工程學、計算機科學等多學科算法和技術，具有開發難度大、研發周期長等特點。在工業軟件自主化、產業化緊迫形勢下，國內科研院所、高校、企業紛紛投入自主工業軟件研發，掀起了自主工業軟件研發與應用熱潮。對于如何降低行業低價值重復，發揮領域各主體關鍵作用，加速 CAE 軟件產品化進程，開源無疑是當下最優模式之一。通過整合基礎共性技術，制定開源共創協同機制，形成開源底座平臺，依托開源底座平臺構建

2、CAE軟件研發與應用生態，實現 CAE 軟件共創高質量發展創新路徑。2022年7月，在開放原子開源基金會指導下，成立了開源工業軟件工作委員會（OpenAtom openCAX，以下簡稱“工委會”）。工委會致力于構建一個國際化的開源工業軟件工具鏈，推動我國開源生態有序發展，加速工業軟件關鍵核心技術的積累和產業商用的迭代，為工業軟件開源使用者、開發者、研究者提供國際化交流平臺。工委會組建了10個SIG興趣組，凝聚了國內工業軟件開源力量，圍繞工業軟件關鍵內核技術開展研究，探索開源項目孵化培育。其中SIG7組聚焦CAE求解器集成框架領域，組織相關專家力量將研究成果匯編成本白皮書。本白皮書的主要目的是闡

3、述開源的背景和必要性，給出開源CAE軟件的發展思路和技術路線，探索開源盈利模式，并通過FastCAE開源集成平臺，給出CAE軟件協同研發的具體實例，引導和激發工業軟件研發企業、服務廠商、用戶企業等主體投身開源，構建開放、共享、協作的研發與應用生態，打造中國特色CAE軟件產品化路徑。本白皮書共分為五部分內容。第一部分介紹 CAE 軟件定義、應用場景及國內外發展現狀；第二部分介紹 CAE 軟件集成關鍵技術；第三部分介紹 CAE 開源集成框架模式思考；第四部分介紹 FastCAE-CAE 開源集成框架功能、架構設計及相關文檔；第五部分介紹基于 FastCAE 的生態建設情況；第六部分介紹 FastC

4、AE 未來發展規劃。本白皮書適用于自主工業軟件研發、咨詢與應用的組織機構，包括但不限于政府部門、制造業企業、工業軟件企業、工業互聯網平臺企業、高校以及社會化工業技術與 IT 技術人才。期待和大家一起探討、分享開源模式在自主工業軟件發展中關鍵作用與價值，并和各位一同推動我國工業軟件開源生態的發展和壯大。本白皮書的編寫僅僅是開始，其中還有很多未及深入研究、清晰闡述和完整論述之處，懇請各位專家批評指正。指導單位指導單位開放原子開源基金會組織單位組織單位開源工業軟件工作委員會（OpenAtom openCAX）編寫單位編寫單位哈爾濱工程大學青島數智船?？萍加邢薰厩鄭u海洋地質研究所珠海格力電器股份有限

5、公司編寫人員編寫人員唐濱馮光升吳艷霞李寶君王昊東王海峰楊成明馬貴蛙萬義釗陳宗衍目 錄1 1 CAE 軟件概述軟件概述.11.1 CAE 定義.11.2 CAE 應用場景.21.3 CAE 國內外發展現狀.32 2 CAE 軟件集成關鍵技術軟件集成關鍵技術.52.1 圖形交互界面技術.62.2 幾何建模技術.62.3 網格生成技術.72.4 后處理可視化技術.82.5 工程數據管理技術.92.6 CAE 軟件架構技術.102.7 云計算和 HPC 技術.103 3 CAE 開源集成框架模式思考開源集成框架模式思考.113.1 我國 CAE 軟件研發面臨挑戰.113.2 開源框架研發模式探索.13

6、3.2.1 開源框架模式優勢.143.2.2 研發與應用開源框架.143.3 CAE 開源集成框架路徑.153.4 CAE 開源集成框架目標.174 4 FastCAE-CAE 開源集成框架概述開源集成框架概述.194.1 FastCAE 框架簡介.194.2 框架總體設計.204.2.1 系統架構體系.204.2.2 系統功能介紹.214.3 架構設計說明.294.3.1 基礎數據結構設計.294.3.2 主要功能模塊設計.324.4 求解器集成流程.364.5 相關文檔和示例.385 5 FastCAE 生態構建生態構建.405.1 生態構建流程.405.2 研發生態與應用生態.415.3

7、 開源協議及托管平臺.425.4 FastCAE 生態成效.435.5 FastCAE 集成案例.445.5.1 并行有限元壓印成形仿真軟件 CoinFEM.455.5.2 船舶復雜海況下耐波性預報軟件 VEROM.465.5.3 等離子體仿真軟件 EasyPSim.475.5.4 計算力學降維方法軟件.486 6 FastCAE 發展規劃發展規劃.496.1 技術發展規劃.496.2 產品發展規劃.507 結束語7 結束語.538 附錄：參考文獻8 附錄：參考文獻.5411CAE 軟件概述CAE 軟件概述1.1CAE 定義計算機輔助工程 CAE(Computer Aided Engineer

8、ing)，泛指包括分析、計算和仿真在內的一切研發活動。傳統的 CAE主要是指工程設計中的分析計算和分析仿真，其核心是基于計算力學的有限元分析技術。制造工程協會 SAE 將計算機輔助工程（CAE）作為 CIM 技術構成的一部分，進行如下定義：分析設計和進行運行仿真，以決定它的性能特征和對設計規則的遵循程度1。CAE 技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術。CAE 軟件是由計算力學、數字仿真技術、計算數學、結構動力學、工程管理學與計算機技術相結合而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品。在近 20 年來市場需求的推動下，CAE 技術有了長足的發展。作為一項跨學科的數值模擬分析技術，它不斷

9、地受到科技界和工程界的重視。21 世紀，隨著計算機技術向更高速和更小型化的發展，分析軟件的不斷開發和完善以及網絡通訊的普及，CAE 技術的應用將越來越廣泛，成為衡量一個國家科學技術水平和工業現代化程度的重要標志。CAE 的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省了大2量的時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確；另一方面，CAE 技術的應用使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數值模擬得到滿意的解答。它在產品的設計、分析、新產品的開發等方面上發揮了重要作用。同時，CAE

10、 這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發展，技術的進步也推動了許多相關的基礎學科和應用科學的發展2。1.2CAE 應用場景在當今的復雜工業品的設計過程中，CAE 已經成為一個必需的工具。CAE 技術在許多領域得到了廣泛的應用和認可，比較有代表性的應用場景包括以下幾種：（1）結構分析：結構分析是利用 CAE 技術對物體的強度、剛度等機械特性進行研究的過程。它可以用于評估物體的強度、穩定性、振動特性以及疲勞壽命等屬性。結構分析是最常用的 CAE 分析技術，廣泛應用于汽車、航空器、船舶、重工裝備、橋梁建筑等結構設計與校驗優化。（2）流體分析：流體分析是一種應用 CAE 技術來模擬物體周圍流體行

11、為以及流體在物體上的作用的方法。它可以用于預測水流、空氣流、溫度和壓力等非穩態物理現象影響，可對船舶、汽車、航空航天器以及各種流體設備進行模擬和優化。（3）電磁分析：電磁學是研究電場、磁場和電磁波等現3象的分支學科。CAE 技術在電磁學研究過程中的應用主要是對物體和電磁場之間的相互作用進行模擬。電磁分析可以用于設計和優化電子產品、電動機、變壓器、電源以及其他各種電子設備。（4）熱分析：熱分析是一種用 CAE 技術研究物體內部溫度分布和熱傳導的方法。它廣泛應用于各種工業場合，如鍋爐、電子元器件、熱機引擎、航空航天器等，它可以幫助工程師研究物體周圍的熱流和溫度分布。（5）聲學分析：聲學分析是一種通

12、過 CAE 技術模擬噪聲傳播和聲波傳播的方法。聲學分析在設計和優化機器、車輛、飛機、建筑和消費者產品等方面發揮著重要作用。（6）多體運動分析：多體運動分析是指對由多個物體組成的系統進行運動學和動力學分析的一種方法。通過多體運動分析可以得到多體系統的運動軌跡、速度、加速度以及受力情況等信息。多體運動分析廣泛應用于機械工程、航空航天、機器人及自動化控制等領域。1.3CAE 國內外發展現狀目前世界上最先進的通用 CAE 軟件均屬于歐美發達國家，主要集中在美國、德國、英法和加拿大這幾個國家。CAE 軟件始于 20 世紀 50 年代末期，以有限元理論的提出與發展為標志，60 年代美歐投入大量人力物力研發

13、 CAE 軟件。其中以NASA 委托美國計算科學公司和貝爾航空系統公司開發的4Nastran 有限元分析系統最為著名。經過三十年的不斷迭代與發展，到 20 世紀的九十年代，已經形成了完備的學科體系，能夠滿足工業工程的實際分析需求，并開始了大范圍的工程應用。近年來，國外的企業開始了大規模的并購進程，如 Dassault、SIEMENS、ANSYS、MSC 等。在并購的過程中，這些企業的 CAE 軟件越來越成熟，但也各具特色。比如，Dassault 公司的 Abaqus 軟件在處理非線性問題領域十分出色，能夠分析復雜的固體和結構力學問題，并且對于非常龐大的高度非線性問題也能夠進行準確分析求解。AN

14、SYS 公司則形成了龐大的產品體系，涵蓋結構、流體、溫度、電磁、噪聲等學科，能夠處理多物理場耦合分析問題，尤其擅長弱耦合情況。MSC 公司的 Nastran 軟件是美國國家航空航天局為滿足航空航天領域的結構分析問題而開發的，具有較高的計算精度3?？傮w來說，先進的 CAE 軟件的發展經歷了三個階段，即以技術提升為主的發展階段、以市場工程應用為主的壯大階段和以并購整合為主的成熟階段。國外的 CAE 軟件能夠發展到今天的水平，一是離不開國外工業化進程快、計算機普及程度高，其國內企業對 CAE 軟件具有極大的應用需求；二是離不開國外政府的高度重視和大量投入，給 CAE 軟件的發展提供了強有力的支持；三

15、是離不開技術研發、軟件廠商的市場營銷和應用驗證相配合，三者形成良性循環，進一步促進了 CAE 軟件的發展4。5我國 CAE 軟件的起源可以追溯到 20 世紀 60 年代，當時我國數學家馮康就提出了獨立于西方理論的基于變分原理的差分方法5，標志著有限元法在我國的誕生。從 20 世紀70 年代起，我國開始出現專門的數值計算程序，逐漸形成了第一代國產 CAE 軟件。比如，中國飛機強度研究所研發的用于飛行器結構強度分析的 HAJIF 軟件6和大連理工大學工程力學系鐘萬勰院士領銜研發用于有限元分析與優化設計的JIFEX 軟件7。進入新世紀后，國內出現了一些依托于高校和研究院所的自主知識產權的軟件。例如，

16、北京大學研發的用于微機結構分析的 SAP84 軟件8，鄭州機械研究所研發的用于對機械產品進行結構分析計算的紫瑞 CAE 軟件，華中科技大學研發的用于鑄造領域的華鑄 CAE 軟件，吉林大學研發的用于覆蓋件彈塑性大變形領域的 KMAS 軟件9，中國工程物理研究院研發的用于結構沖擊響應領域的 DynPack 軟件，大連理工大學研發的面向CAE工程與科學計算集成化的SiPESC軟件平臺10以及大連英特仿真的 INTESIM 系列仿真軟件。2CAE 軟件集成關鍵技術CAE 軟件集成關鍵技術CAE 軟件技術涵蓋計算機科學、數學、物理學、工程學等多個領域，是一門涉及多領域多學科的綜合性技術。CAE軟件的內核

17、是求解器，包括結構、流體、電磁、傳熱等問題。此外，形成一款 CAE 軟件產品還需要前后處理、交互界面等功能模塊。本篇白皮書的重點在于如何通過統一開源框架快6速組裝 CAE 軟件產品。因此，下面給出一些集成 CAE 軟件產品時所需的共性關鍵技術。2.1圖形交互界面技術CAE 軟件的圖形交互界面是用戶和軟件進行交互的重要橋梁，是 CAE 軟件研發過程中的關鍵技術之一。它需要充分考慮用戶的需求和體驗，能夠提供直觀、易用、功能豐富的界面，使用戶能夠方便地進行模型構建、仿真設置、結果查看等操作。C/S 架構的 CAE 軟件，考慮軟件跨平臺部署和圖形運行性能，一般采用 C+語言和 QT 界面框架進行開發，

18、并會調用OpenGL 等圖形庫。B/S 架構的 CAE 軟件一般采用 Java 語言，并采用 Spring+SpringMVC+MyBatis 組合框架進行開發，同時使用 WebGL 作為最常用的瀏覽器端圖形引擎。2.2幾何建模技術幾何建模技術需要解決模型的數字化表達問題。準確完整的幾何模型表達是進行數值仿真計算的基礎。通常，在 CAD階段使用專門的 CAD 建模軟件完成幾何模型的創建。在 CAE仿真分析的領域中，通常使用導入在 CAD 軟件中已建好的模型，對其進行清理、簡化和修復等操作，以滿足網格劃分的要求。因此，在 CAE 領域中更關注幾何建模技術中的模型編輯與簡化相關技術與功能。參數化建

19、模是一種基于輸入參數7創建指定幾何體的建模技術，在模型構建過程中，設計者可以通過指定尺寸、材料特性和外形等參數來創建幾何模型。CAE 軟件可以集成典型的幾何引擎來完成幾何建模模塊。國內幾何建模引擎有中望 3D CAD、山大華天 CAD 等；國外有OpenCASCADE、C3D、ACIS、Parasolid 等。2.3網格生成技術網格劃分的過程是對幾何連續空間離散化處理。網格的質量將會直接影響仿真計算的速度和計算精度。隨著算法的不斷創新和發展，CAE 網格生成方法的研究領域和主題在不斷擴展和深入研究，重點已經從二維平面問題轉移到三維曲面和三維實體問題上。從三角形四面體網格自動生成增加到四邊形六面

20、體網格自動生成，在并行網格生成、自適應網格生成、各向異性網格生成等方面亦取得許多重要進展。根據國內外學者對 CAE 網格剖分技術有關研究成果的概括總結，CAE 網格生成的通用方法根據操作特點可分為五種：Delaunay 剖分法、拓撲分解法、推進波前法、映射法和基于柵格法的有限四八叉樹法。其中前三種最為常用。Delaunay三角剖分（簡稱 DT）是目前三大最流行的全自動網格生成方法之一。該方法的最主要的優點之一是自動避免了生成小內角的長薄單元。拓撲分解法假設最后網格頂點全部由目標邊界頂點組成，那么可以用一種三角化算法將目標用盡量少的三角形完全分割覆蓋，這些三角形主要是由目標的拓撲結構8決定。這樣

21、，目標的復雜拓撲結構被分解成簡單的三角形拓撲結構。推進波前法的基本思路是從待剖分區域邊界開始，由一條分界線分界面作為前沿，向內部逐漸延伸，節點和單元同時生成，直到整個待剖分區域剖分完畢。從軟件層面來看，網格剖分由網格剖分器實現.目前各大 CAE 軟件均包含了自己特有的網格剖分器。開源的網格剖分器主要包含 Gmsh、NetGen、TetGen、SMesh 等。國內的 CAE軟件廠商，如云道、格宇、英特仿真、十灃科技、安世亞太等，也都致力于發展自主可控的網格剖分器。2.4后處理可視化技術后處理可視化技術是指通過對數值模擬或實驗數據進行加工處理和視覺展示，以便于對數據進行理解和分析的一種技術。運用計

22、算機圖形學和圖像處理技術，將科學計算的輸出數據和一些其他領域通過觀察測試生成的數據轉換為圖形和圖像，最終在屏幕上顯示出來并進行交互處理的理論、方法和技術?？茖W計算可視化極大地提高了科學計算數據的處理速度和質量，是幫助科學家深入理解科學數據的最有力的工具之一。后處理可視化技術包括了三維可視化、流線可視化、矢量場可視化、等值面可視化等多種可視化手段。廣泛應用于各個領域，如工程、醫學、生物、環境等領域。目前大多數商業軟件中都包含特有的后處理可視化模9塊，也有像 Tecplot、Ensight、HyperView 等相對通用的商用后處理軟件。在開源軟件中，VTK、OSG、OpenInventor 等專

23、業的 3D 圖形渲染引擎可以實現二維與三維數據可視化。其中基于 VTK 的科學計算可視化軟件 ParaView 是應用比較廣泛的后處理軟件，支持并行可視化與在線數據可視化。2.5工程數據管理技術CAE 工程數據管理主要負責 CAE 軟件計算過程中輸入輸出數據，以及軟件計算過程中內外存的數據交互等。數據規范化、標準化是為了實現 CAE 軟件之間或者 CAE 軟件內部為了信息交換及資源共享的目的。需要進行數據標準化以及模型之間的數據格式標準統一等，例如 STEP、IGES 等幾何數據標準格式。軟件集成需要進行數據的交互與共享，一些常見的數據接口技術有 XML，JSON，JavaScript 等。大

24、規模工程數據處理方面，隨著仿真模型的不斷發展，數據量也會越來越大。這就需要應用大數據處理技術來快速、高效地處理海量的仿真數據，比如采用 HDF5 格式。HDF5 是一種用于存儲和管理大量科學和工程數據的數據格式、庫和應用程序接口。它支持不同數據類型和維度，并提供了非常強大和靈活的數據結構，適用于需要存儲大量復雜數據和深度層次結構的科學和工程應用。102.6CAE 軟件架構技術在研發國產自主 CAE 軟件過程中，隨著分析仿真功能增加、規模增大，系統復雜性越來越大?，F有分析仿真軟件開發與集成方法已經不能適應未來的發展。為了能夠充分支撐CAE 軟件開發與優化，亟需研發面向主干設計的 CAE 軟件一體

25、化、開放式架構。通過結合 IT 領域架構設計原則和模式，結合軟件實施過程的優秀實踐經驗等，為開發具備自主知識產權的 CAE 軟件提供一體化支撐架構。架構的目標之一是解決傳統 CAE 軟件開發分散獨立、各自為政的狀態，實現在平臺內各類符合集成標準 CAE 軟件模塊能夠靈活組織及數據互通，滿足不同行業 CAE 工程應用需求。依托平臺能夠持續匯聚應用反饋及驗證數據，從而推動 CAE 軟件模塊的持續完善與升級，促進國產 CAE 良性發展生態的形成。綜上，軟件架構作為一項至關重要的工作，它涉及整個軟件系統的設計和組織，直接關系到 CAE 軟件的性能、可維護性、可擴展性等方面。2.7云計算和 HPC 技術

26、CAE 云化是未來發展的趨勢。另外，CAE 在超算計算也是解決復雜工程問題關鍵。隨著計算資源的不斷增長和云計算技術的發展，數據中心、服務器和云端平臺等技術被廣泛使用，以加速計算、提高數據可靠性和處理能力。云計算和HPC 技術在 CAE 軟件領域的應用主要體現在：11（1）計算資源利用。CAE 軟件可以方便地調用云服務器的 CPU、GPU、FPGA 等計算資源，進行并行計算、集群計算，大大提高仿真速度。這使得 CAE 軟件可以設計更大規模的仿真模型，開展更真實的多物理場耦合分析等。（2）存儲與計算分離。CAE 軟件可以將大量仿真數據存儲在云存儲中，并隨時調用云計算資源進行后處理計算，實現存儲與計

27、算的彈性伸縮。這為 CAE 軟件提供了高度靈活的部署方式。（3）云原生架構。新一代 CAE 軟件可以采用云原生架構，從設計之初就全面考慮云計算，實現微服務化、云桌面、DevOps、彈性伸縮、Serverless 等技術。軟件更加貼近云計算發展趨勢，具有更強的前瞻性。3CAE 開源集成框架模式思考開源集成框架模式思考3.1我國 CAE 軟件研發面臨挑戰近年來，我國研究院所、高校、企業紛紛投身功能軟件研發.雖然也開發出了一些 CAE 軟件，但由于我國起步較晚，在 CAE 軟件產品化方面仍缺乏大量經驗和生態基礎。CAE 軟件研發過程中還存在以下挑戰：（一）多團隊協同困難。CAE 軟件具有開發難度大，

28、周期長，涉及學科多等特征。一款具有工程能力的 CAE 軟件產品需要多學科技術團隊協作，甚至企業間優勢技術的合作，比如幾何建模引擎。目前，從事 CAE 相關技術研發的團隊還未12形成清晰的專業化分工，各自優勢技術還無法以標準模塊快速共享。需要一套工業軟件研發標準體系，統一數據規范、模塊接口、集成標準等，加速專業化分工及提升多團隊協作效率。（二）缺少復合型人才。大部分 CAE 軟件研發是以力學、物理等學科背景的求解器開發團隊主導。以追求計算求解效率及精度為目標，缺乏面向用戶和市場端的重視。CAE 軟件是承載大量工業知識的軟件產品，最終形態還是軟件。所以，仍需按照軟件工程思想來開發 CAE 軟件。當

29、下同時具備軟件工程經驗和仿真經驗的復合型人才較少。如 CAE 軟件產品經理是幾乎缺失。要解決復合型人才緊缺問題，一方面加強人才培養，另一個方面是細化人才分工?？梢酝ㄟ^工業軟件產品化平臺，將軟件進行分層架構。頂層架構設計由復合型高端人才完成，通用模塊由 IT 人才來完成，專業內核開發由專業學科團隊完成。（三）運營體系不健全。CAE 軟件應用推廣也要較長的周期才能建立用戶信心，需要融入上下游研發設計工具鏈條，才能獲得用戶更多的工程驗證數據，以加速迭代產品。目前國內 CAE 軟件大多是具體某個領域的專用軟件，用戶缺少獲取這些軟件的渠道和這些軟件的客觀評價。通過工業軟件商品化生態，可以按照應用領域進行

30、分類管理，給出軟件成熟度評級，按照評級估算軟件價格，設定軟件能力邊界等。這樣可以降低用戶獲取 CAE 軟件的成本，同時也加強各軟件之13間的鏈接關系。圖 1 CAE 軟件研發挑戰因此，當下為了加快 CAE 軟件產品化，需要從三個方面入手：建立工業軟件研發標準體系，研發工業軟件產品化的平臺，構建工業軟件商品化的生態。3.2開源框架研發模式探索傳統 CAE 軟件開發方式是由 CAE 研發企業從頭開始設計架構，并逐步開發相應的功能模塊。當需要引入外部的技術時，需花費大量時間進行適配，或者由技術提供方進行大量的定制開發工作。另外，針對企業定制化需求，從服務商購買軟件二次開發或者從頭定制開發方式，可能存

31、在較大隱患，如開展一段時間發現服務商能力有限，需要更換服務商的情況，則浪費了巨大的時間和資金成本?；陂_源框架底座+增量開發的模式，可以有效提高研發企業間的技術合作效率，同時可以降低用戶與研發企業間合作風險。143.2.1開源框架模式優勢基于開源框架底座+增量開發的模式，可以最大程度地利用已有資源，實現面向企業特征需求的增量開發，降低成本，減小風險以及提高多人協同的效率。圍繞開源底座平臺，形成開發者之間、用戶與開發者之間的高效協作生態；可以統一研發標準和規范，吸引大量開發者接入生態，開發豐富的功能組件，為商業交易提供良好的基礎。圖 2 開源模式優勢3.2.2研發與應用開源框架軟件框架的搭建是標

32、準的更進一步的開發工作，具有天然的驅動力，是切實可提高研發效率的具體手段。針對 CAE軟件研發過程，求解器框架平臺可以提升求解器協同研發的效率，優化內核的可測試性，以及延展產品的可擴展性等。產品集成平臺可以有效將軟件產品功能模塊解耦，從而通過15實現技術團隊明確分工來提升產品化集成效率。自動化測試平臺是提升 CAE 軟件質量的有效工具，可實現單元級、算例級的自動測試。大型研發設計企業，要實現 SaaS 模式多款CAE 軟件聯合應用，可以基于開源底座平臺，如仿真工作流平臺、仿真數據管理平臺和在線云仿真平臺等，進行定制開發，以實現目標。圖 3 開源研發與應用底座平臺3.3CAE 開源集成框架路徑本

33、框架從國家和行業需求出發，緊扣自主工業仿真軟件研發，通過構建工業軟件研發體系、提出統一行業標準的指導思想、提供配套框架平臺與工具鏈、落實體系提升協同效率、推動開源研發社區聚眾力集星火智催生共建新生態，已獲得面向行業應用場景整合成熟軟件持續服務能力。16圖 4 開源框架路徑工業軟件研發體系是將軟件工程思想融入工業軟件研發流程的統一體系，提出統一的研發規范、集成標準、數據標準和服務標準等，為不同領域學科的團隊合作提供標準規范依據?？蚣芷脚_工具將標準與規范平臺化、工具化，進一步降低不同技術和功能的融合，方便優勢資源的共享與多團隊的協同，同時加速技術理論到工程軟件的迭代效率。開源研發社區以平臺工具和統

34、一規范標準為基礎，打造開放、共享的開源生態社區，匯聚優質的人才，整合先進技術到開源框架，以開放的思維尋求探索創新商業模式。行業解決方案隨著自主工業軟件產品的日益成熟，應用于工程領域的驗證中，按照行業歸類軟件打造中國自主的軟件上下游產業鏈。173.4CAE 開源集成框架目標（一）集成框架必要性目前，自主 CAE 軟件研發主要集中在求解器研發集成階段。許多來自高校研究院所的團隊已經研發了大量各學科求解器，急迫地需要形成完整的 CAE 軟件產品。因此，當務之急是需要解決軟件快速集成，并通過靈活可擴展的框架實現軟件快速迭代，并最終達到軟件產品成熟度。圖 5 中國自主工業仿真軟件階段（二）發展理念本發展

35、理念迎合自主 CAE 軟件產品階段發展需求，借助CAE 軟件集成框架平臺開源模式，整合 CAE 軟件關鍵技術及參與主體，形成開放、共享、協作的研發與應用生態，打造中國特色 CAE 軟件產品化路徑。解決行業低價值重復，追求 CAE 軟件共創高質量發展；底座共性技術堅持開源，分階段探索開源營收模式。18（三）CAE 開源集成框架目標雖然CAE開源集成框架雖然是面向CAE軟件研發而設計，但是由于 CAE 軟件有較長的成熟周期，一個良好的集成框架也必須以軟件應用迭代為基礎進行設計。因此，需要從研發目標與應用目標兩方面展開分析。圖 6 CAE 集成框架目標（1）研發目標初期設計目標是使軟件框架逐漸靈活，

36、提高標準化程度，并提供大量的基礎模塊，為核心求解器服務，如流體、力學、電磁、電磁等等，在面向汽車、航空航天、船舶等專用工程領域時，能夠快速研發專用的 CAE 軟件。同時，還整合一些數據管理和軟件授權等模塊，通過 FastCAE 平臺將這些模塊整合起來，最終形成一款專用的工業軟件產品。19（2）應用目標在形成大量的自主化工業軟件過程中，自主軟件需要通過不斷地在軟件的實際應用中自我迭代，并在軟件相對成熟后再上云。此時，FastCAE 平臺已經積累了幾百個甚至上千個成熟的自主化工業軟件，并在此基礎上考慮建設中國自主CAE 軟件服務云平臺。在基于 FastCAE 平臺的自主化工業軟件積累可以滿足各種行

37、業對于專業化軟件的使用需求目標的前提下，平臺的價值才得以充分發揮。例如在汽車設計領域，該領域對于工業軟件的需求又可以細分到強度、流體等專用技術方向，在滿足領域內專業化需求的前提下，相應軟件就很容易被用戶使用，并且形成了體系化的工作模式。用戶在平臺上可以找到自己需要的專業化平臺模塊，這樣可以將平臺以用戶為基礎運營起來。屆時，平臺就以云平臺的形式運行，并且后臺對接超算、集群等服務內容。4FastCAE-CAE 開源集成框架概述FastCAE-CAE 開源集成框架概述4.1FastCAE 框架簡介CAE 開源集成框架平臺（FastCAE）本質是一套專為 CAE軟件內核開發者打造的前后處理快速集成工具

38、。該平臺封裝大量前后處理功能組件，并通過可視化設計器將這些模塊組合成完整的 CAE 軟件。平臺包含軟件開發平臺和軟件設計平臺。20圖 7 集成框架主頁面4.2框架總體設計4.2.1系統架構體系FastCAE 采用分層架構模式，以 FastCAE 核心架構為基礎，構建數據管理、信息交換、界面生成、求解器集成等基礎架構，同時提供豐富的組件庫。該平臺支持用戶快速構建個性化界面，包括對于幾何、網格、求解器等核心模塊的靈活擴展，為自主 CAE 軟件產品化迭代提供健壯底層平臺。圖 8 開源集成框架架構在架構體系設計中，規劃了以下四種開發方式，以方便21用戶使用和二次開發：（1）可視化方式：用戶可以通過可視

39、化的方式，在界面上直接配置自己需要的功能點和流程，并通過鼠標鍵盤等操作進行實現。同時，對于具有更高級研發能力的用戶團隊，他們可以直接在源代碼上進行修改，以實現更為復雜的功能。（2）所見即所得方式：例如想配置屬性節點，用戶可以直接右鍵呼出配置菜單，并配置參數的名稱、類型、范圍、默認值等，配置保存后就可以自動生成屬性窗口。其他功能則可以通過復選框等簡單的方式進行配置。（3）基于 Python 腳本的集成拓展：用戶可以通過編寫腳本實現模塊數據和功能點的驅動，而無需通過界面進行操作。這類似于傳統軟件中的宏錄制和執行功能，可以通過擴展指令來豐富和定制自動化腳本，以實現流程錄制和自動執行。（4）基于插件的

40、集成拓展：該方式方便用戶開發增量程序，將開發完的插件加載到插件管理器中，可以生成用戶自定義的界面。同時，用戶還可以開發多個插件，如一個系統中有多個求解器，都可以集成到一個軟件中，并通過插件的形式進行動態加載和卸載。4.2.2系統功能介紹FastCAE 采用統一的交互界面設計，系統中幾何、網格等功能模塊均支持底層引擎的替換。平臺默認集成了一些開22源的模塊，下面是 FastCAE 的主要功能介紹：4.2.2.1 界面可視化設計平臺提供 APP 設計器，該設計器基于多種可拖拽布局控件與功能組件，并可以無需編寫代碼即可完成軟件界面布局與運行邏輯設計。方式優點1)無需編寫代碼；2)可視化集成拓展；3)

41、快速定制修改；4)所見即所得。適用情境1)搭建軟件原型；2)輔助求解器測試；3)自研計算程序封裝。軟件整體設計使用 APP 設計器可以對軟件進行可視化的整體設計，包括軟件界面的設計、運行參數的設置以及軟件運行邏輯的設計等。23圖 9 設計模式主界面 添加功能拓展用戶可以選擇需要的拓展組件，對軟件局部功能進行調整。如果組件庫無法滿足需求，則可以通過軟件 API 進行個性化定制開發。圖 10 組件拓展界面 軟件發布與運行將設計好的軟件發布并生成安裝包，進行軟件的分發，安裝與使用運行。24圖 11 組件安裝與發布4.2.2.2 幾何建模模塊幾何建模組件系統默認集成 OpenCASCADE 開源幾何引

42、擎。目前，該系統已經實現了多種三維特征建模和操作，以及簡單的草圖功能。結合平臺提供的可視化交互組件，它能夠實現復雜幾何模型的可視化渲染和交互。該組件提供標準接口以集成任意幾何引擎，因此用戶可以根據需要集成和拓展其他商用或開源幾何引擎?；A功能1)支持立方體、球、圓柱、圓臺等快速幾何體建模；2)支持拉伸、鏡像、布爾運算、倒角等特征操作；3)支持任意平面草繪。高級功能1)支持通用幾何文件導入導出，支持保存工程文件；2)支持無限步撤銷重做操作；3)支持編輯修改操作。25圖 12 幾何功能界面4.2.2.3 網格劃分模塊網格剖分組件默認集成 Gmsh 網格剖分引擎，支持低階和高階網格單元劃分，同時支持

43、多種單元類型和多種網格文件導出。結合基于 VTK 的可視化組件，能夠實現網格的統一顯示模式和多種網格選取交互模式。同時，該組件開辟了多種接口，用戶可以根據需要集成商用或其他開源網格劃分引擎?；A功能1)組件基于腳本和 Python 接口的調用；2)支持實體局部加密與流體域網格劃分；3)自動修補孔洞；4)默認封裝多種網格劃分算法。高級功能1)自主開發了二十余種的網格評價方法；2)自主開發了更友好的交互界面；3)自主開發了點選框選等網格選取方式；4)自主開發了基于幾何的網格檢索方法。26圖 13 網格功能界面4.2.2.4 求解器驅動模塊通用求解器驅動組件支持自研求解器的集成，也支持第三方商業或開

44、源 CAE 軟件的驅動集成。它可以通過可視化配置方式和標準輸入輸出文件來集成自研求解程序；另外，它也可以通過平臺提供的二次開發接口來集成功能復雜的自研求解器和第三方 CAE 軟件。主要功能1)求解器類型支持自研與第三方求解器；2)靈活的求解器設置，隨時修改，即時生效；3)支持模板與指定文件格式的輸入文件；4)支持自定義的文件轉化；5)支持 Windows、Linux 多系統求解器集成；6)支持插件式的拓展接口。27圖 14 求解器驅動集成模式4.2.2.5 后處理可視化通用后處理可視化組件基于 VTK 可視化庫開發了三維通用可視化功能，包括繪制云圖、矢量圖、動畫、圖像切割、對稱、等值面提取和流

45、線等功能。除此之外，它還具備 VR可視化模塊和幾何數值耦合運動模塊等高級功能。此外，基于 QWT 還開發了通用的二維可視化功能，包括二維云圖、XY圖和極坐標等功能，以滿足常見 CAE 的后處理需求。主要功能1)支持 VTK/Tecplot/CGNS/OBJ 等格式文件；2)提供接口，輕松集成其他數據格式結果文件；3)支持云圖、矢量圖、動畫等常規三維可視化功能；4)支持切割、對稱、等值面提取等數據操作功能；285)支持多種單元類型，支持低階與高階單元。特色功能1)支持結果數據 VR 渲染，可輸出到 HTC Vive 設備；2)支持三維空間數值提取，實現曲線與動畫同步功能；3)支持腳本化流程控制，

46、支持報告生成；4)支持結構、流體、電磁等學科的后處理要求；5)開放 API，支持自由功能拓展與數據提取。圖 15 后處理功能界面4.2.2.6 腳本功能模塊平臺的各個功能組件采用了 C+語言開發，其中核心功能封裝了 Python 接口，全流程腳本控制組件并對 Python 解釋器進行了封裝修飾。在平臺中，功能組件之間可以通過Python 命令相互調用，從而降低耦合。此外，用戶可以根據需要調用不同粒度的接口，實現仿真全流程的自動控制。29圖 16 腳本功能4.3架構設計說明4.3.1基礎數據結構設計FastCAE 軟件中的數據主要分為五個部分：幾何數據、網格數據、模型數據、配置數據和環境設定參數

47、。這些數據類及其成員都有共同的基類：DataProperty:DataBase。這個類里面包含了屬性和參數兩種類型的成員列表。屬性是指在軟件運行過程中進行分配的，不允許隨意更改的信息，例如 ID、可見性和名稱等。而參數則是指允許用戶修改的信息，例如材料屬性相關的參數以及物理模型設置相關的信息。在軟件運行的過程中，控制面板下方的屬性窗口會有明顯的可視化區分，如下圖所示：30圖 17 數據分類屬性類與參數類的組織和繼承關系如圖 18 所示。屬性類和參數類的數據類型大致相同，但是它們繼承自不同的基類。不同類型的參數還各自派生拓展，形成了完整的屬性與參數體系。31圖 18 基礎數據繼承關系FastCA

48、E 物理模型的參數系統支持基于配置文件的自定義拓展。對于參數系統的算例類型、參數數量和參數層級關系都可以通過配置文件進行個性化拓展。此外，該系統本身32支持多算例，采用兩級緩存的內存管理方式。首先，它會讀入配置文件，形成內存模板參數，然后在配置數據中進行管理。在具體的算例創建后，它會通過內存拷貝的形式對配置數據中的模板進行拷貝?？截惓鰜淼母北緦ο髸环湃胨憷Ｐ蛿祿芾碇羞M行管理與維護。不同算例的參數修改會直接修改存儲在該算例中的副本對象。4.3.2主要功能模塊設計（1）幾何部分幾何數據是所有幾何相關操作的最終操作對象，保存了操作過程中產生的大部分源數據。這些數據包括導入的幾何文件以及幾何建模

49、過程中產生的所有數據。幾何模塊基于OpenCasCade 編寫，因此在數據結構中涉及了 OCC 的數據結構。目前，平臺采用的 OCC 版本為 7.4.0。33圖 19 幾何數據模塊（2）網格部分網格數據保存了所有網格的節點、連接關系與組件信息。網格模塊對數據的檢索要求很高，需要既能夠根據節點查找單元，也能夠根據單元查找節點。為了方便起見，我們直接采用了 VTK 的網格表示方法。該方法支持多種網格類型、支持低階和高階網格單元表示，而且 VTK 提供了多種網格處理算法和轉換方式，我們可以直接調用。當前我們采用的 VTK版本為 9.0.1。34圖 20 網格數據模塊（3）模型部分模型數據指的是與計算

50、相關的物理參數和計算參數的集合，其中包括了材料參數和邊界條件的設置。因此，模型數據的組織關系相對較為復雜。模型數據和控制面板的算例樹相互關聯，它們之間的接口較多，邏輯關系也較為復雜。圖 21 模型數據模塊35（4）主界面部分主界面是整個軟件運行時的大腦，負責信息的收集和分發。所有重要的交互操作都通過信號的形式傳遞到主窗口，然后由主窗口負責將信號下發到相關的功能模塊或視圖類進行渲染。例如，當點擊網格組件的某一個子節點時，會產生一個點擊事件的信號。此信號傳遞到主窗口后，由兩個窗口進行響應。一個是控制面板中的屬性框，它會顯示對應節點的屬性；另一個是繪圖界面，它會對該部分組件進行高亮顯示。這個消息的分

51、發是通過主窗口實現的。圖 22 主界面模塊（5）前后處理部分前后處理窗口指的是數據的可視化窗口。前處理為一個單獨的窗口，實現對幾何和網格的可視化，以及選取和高亮36等交互操作。后處理分為兩部分。一部分為二維可視化部分，通?？梢暬瘜ο鬄榍€等二維數據信息。此外，該部分還包含動態曲線功能，能實時可視化數據變化。另一部分為三維可視化渲染部分，包含云圖、矢量圖、切線和切面等功能，也包含動畫功能。前處理部分的代碼實現位于 MainWidgets文件夾，而后處理部分的代碼實現則位于 postWidgets 文件夾。為了方便窗體的統一管理，該部分的組織關系相對較為復雜。圖 23 前后處理模塊4.4求解器集成

52、流程在與求解器程序進行集成工作時，平臺通過外存文件的形式與求解器進行信息交換。平臺將有限元模型以及其他參37數通過統一數據接口寫出結構化的文本，對于輸入簡單的求解器，平臺還可以提供參數模板。求解器通過讀入輸入文件獲取信息并進行解算，將結果以文件的形式傳遞給平臺，平臺則自動讀取結果。圖 24 求解器集成流程示意圖標準的求解器程序集成過程可以簡單地通過以下 8 個步驟完成。這些步驟包括基礎的前處理、求解器參數設置、求解器程序的驅動，以及求解結果文件的后處理等。（1）導入幾何文件，當前 FastCAE 框架平臺支持 iges、igs、step、stp 等標準文件格式，導入后幾何文件可以在前處理窗口顯

53、示；（2）導入網格文件，當前 FastCAE 框架平臺支持 cgns、msh、neu、stl 等標準文件格式，導入后幾何文件可以在前處理窗口顯示；38（3）功能與數據管理，基于內存操作，提供網格劃分、數據管理等基礎功能，高效提供數據轉換和傳輸需求；（4）標準化數據接口，提供平臺數據的統一讀寫接口，實現數據的內外存交互；（5）通過網格文件和求解參數文件驅動求解計算程序，求解計算程序支持以黑盒方式提供，包括可執行程序和代碼類庫等方式；（6）平臺實時監控求解進程，實時可視化顯示求解計算情況，通過 UI 端日志輸出端口打印求解程序日志，通過進度條顯示求解器求解進度信息；（7）結果文件通過標準接口進入后

54、處理模塊，進行可視化渲染；（8）用戶可通過界面實現對數據的修改以及個性化需求。4.5相關文檔和示例（1）FastCAE 官網地址如下，可以查找相關文檔及案例資源：http:/ 使用相關文檔FastCAE 使用文檔主要包含功能使用說明和定制插件使用說明兩部分。其中，功能使用說明詳細介紹了 FastCAE 平臺搭載的前后處理功能及其操作方式。該部分39還包括 FastCAE 在使用層面上的設計思路。另外，定制插件使用說明則詳細介紹了定制插件的操作使用方式。使用定制插件無需編寫代碼，即可基于 FastCAE 實現個性化定制。詳細的文檔已在 FastCAE 官網發布，請參考下面提供的鏈接：http:/

55、 開發相關文檔FastCAE 開發相關文檔主要包含以下四個：代碼結構與 API 說明 詳細介紹了 FastCAE 代碼結構與設計思想，將代碼中重要的 API 進行了匯總說明。Python 命令說明介紹了目前 FastCAE 平臺封裝的Python 接口，以及各個接口的功能。Python 功能拓展介紹了如何利用 Python 語言進行自定義的功能拓展，以及如何調用新拓展的功能，并通過具體示例具體說明。插件開發指南 介紹了 FastCAE 開發的插件接口和插件類型，并通過具體示例的形式對開發流程進行說明。詳細的文檔已在 FastCAE 官網發布，請具體參考下面的鏈接：http:/ 開發示例包含兩類

56、：自研求解器集成和第三方求解器集成。其中，自研槍炮內彈道計算程序集成示例（可視化定制）從基本的框架平臺使用入手，通過集成彈道計算程序，實現了基于 FastCAE 的定制軟件，包含基本的前處理、求解和后處理等功能。另外，Fluent、OpenFoam 和 Abaqus 集成示例則是對主流常用商用軟件的封裝和定制化集成。通過 FastCAE 自身的集成能力，配合平臺前后處理模塊驅動計算軟件，并最終實現了界面和流程的定制化需求。詳細的示例已在 FastCAE 官網發布，請具體參考下面的鏈接：http:/ 生態構建FastCAE 生態構建5.1生態構建流程FastCAE 的生態建設分為三個階段，分別是

57、：開源底座平臺、構建開放生態和服務應用場景。在開源底座平臺階段，FastCAE 致力于解決軟件產品的持續迭代升級基礎問題，為多學科團隊的協作提供標準和規范。41在構建開放生態階段，FastCAE 致力于建立復雜產品不同階段合作創新平臺，為先進技術整合模式創新提供機制。在服務應用場景階段，FastCAE 著重于服務于工業應用場景。該階段的目標是檢驗工業應用場景產品的功能和質量，并提供一個試驗田，以實現從產品到商品的轉化。圖 25 生態構建流程5.2研發生態與應用生態FastCAE 平臺建立了兩個生態體系：研發生態和應用生態。在研發生態方面，基于 FastCAE 平臺架構與標準，并通過開源協作模式

58、以調動開源社區開發者和開源資源的力量，為擁有 CAE 內核的用戶提供了前后處理、GUI 定制等集成服務。最終，這將形成 CAE 軟件產品。在應用生態方面，FastCAE 為不同工業領域用戶需求量身定制，可快速整合基于 FastCAE 平臺研發的國產 CAE 軟件，并形成完整的國產化行業仿真解決方案。同時，在工程應用過程中，FastCAE 驗證軟件能力并聽取用戶對軟件的新需求，以此實現正向迭代軟件產品。42圖 26 開源研發與應用生態示意5.3開源協議及托管平臺FastCAE 的開源宗旨是希望更多的 CAE 核心算法開發團隊能夠快速將其基礎理論成果轉化為產品。因此，FastCAE采用了比較寬泛的

59、開源協議，鼓勵用戶自由使用。表 2 FastCAE 項目開源托管地址程序源碼（Windows）GitHubhttps:/ 采用 BSD-3 開源協議，基于 FastCAE 開發 CAE軟件版權歸開發者所有，并可自由進行商業推廣。在使用過程中，如需技術支持可以選擇購買相關服務。開源免費：任何個人及單位均可以使用本平臺進行學習研究以及開發商業程序。43 平臺使用過程中遵守 BSD 開源協議；包含系統所有源碼、功能及文檔等內容；可通過文檔及社區進行學習交流。去除版權：對自主研發 CAE 軟件，想在發布的產品中去除開源協議聲明的用戶?？扇コ_源代碼中的版權聲明文件；包含系統所有源碼、功能及文檔等內容；

60、可通過文檔及社區進行學習交流。技術支持：對在平臺使用過程中，希望獲得開發團隊深度技術支持的用戶。提供 58 小時的在線技術支持；提供 20 小時平臺使用培訓課程；每年贈送一個軟件去除版權聲明授權。5.4FastCAE 生態成效經過三年的積累，FastCAE 采用開源模式，實現了業務、技術和人才的協同快速發展。在過程中，FastCAE 積極參與組織開源學院培訓、開源工業仿真軟件集成大賽以及多次的主題演講與宣傳。FastCAE 通過工業仿真軟件集成服務供需平臺，推送了 27 期近 50 余項開源項目，并吸引了軍工單位、高校院所以及企業用戶 40 余家。FastCAE 擁有 600 余位開源44用戶

61、及潛在開發者，并形成了 240 余款自主 CAE 軟件。FastCAE 的開源項目參與了國家重大項目中的 8 項，并參與了工業軟件領域國家標準及專著 2 項。FastCAE 還參與了 20余個自主 CAE 及開源組織。同時，FastCAE 的公眾號關注量近 3000，微信和 QQ 社群用戶達到 2000 余人。圖 27 開源生態取得成果5.5FastCAE 集成案例FastCAE 經過多年的發展，目前已經完成了 240 余款國產 CAE 軟件，涵蓋了結構、流體、熱傳、電磁等多個領域，并被廣泛應用于 40 余家高校、研究所和企業等單位。FastCAE通過不斷的創新和開源合作，為行業帶來了豐富的產

62、品和先進技術，并為行業的發展做出了積極的貢獻。455.5.1并行有限元壓印成形仿真軟件 CoinFEM圖 28CoinFEM 軟件界面這個案例來自江蘇大學的許江平老師團隊。他們基于開源國產工業軟件集成開發平臺 FastCAE，從鍛造行業“十四五”中，發現了數字化和具有獨立知識產權的壓印成形軟件的需求，開發了并行有限元法的壓印成形仿真軟件 CoinFEM。CoinFEM 軟件通過多次現實試驗積累了經驗，利用有限元虛擬試模，實現了精密浮雕壓印成形仿真分析。同時，針對模擬時間較長的問題，改進了有限元法的并行求解，顯著提高了軟件的模擬效率。并行有限元壓印成形仿真軟件 CoinFEM 具備很多個性化功能

63、，比如坯餅、模具創建，pvd 文件動畫生成等，并且基于 Gmsh 開發了六面體網格算法，實現了模型六面體劃分等功能。CoinFEM 運用 MPI 并行和 OpenMP 并行技術，大幅提高了有限元求解器的計算效率。與已經商業化的兩款軟件相比，46CoinFEM 的并行加速比要高于商業軟件，并且 CoinFEM 已經達到了商業化水平。5.5.2船舶復雜海況下耐波性預報軟件 VEROM圖 30VEROM 軟件界面這個案例來自于大連理工大學姜宜辰老師團隊，他們基于 FastCAE 集成 OpenFOAM 和自研求解器等內容，研制了船舶復雜海況下耐波性預報軟件“VEROM”，實現了船舶耐波性預報、水動力

64、阻尼預報業務流程的集成，以及軟件計算結果的可視化，能夠支撐波浪物體運動系統的推廣和應用。船舶在海上航行時，經常遇到強風巨浪等惡劣海況，這對船舶穩定性和航行安全構成了巨大的威脅，甚至會導致船舶傾覆。船舶在隨機波浪中的動力特性也會受到一些非線性和隨機效應的影響，這種非線性隨機運動對船舶傾覆機理的分析有重大的幫助?？茖W計算的結果往往是抽象的、專業性很強的圖表和數據等，然而借助可視化技術，對海浪中船舶的運動進行模擬，47可以幫助設計人員更直觀地分析科學計算的結果，進一步掌握波浪中船舶的運動響應情況，最終達成船舶安全航行的目標。波浪物體運動軟件使用了 OpenFOAM 字典參數設置，并對工程樹節點和參數

65、界面進行了定制化研發。這個項目意識到了軟件需求分析在軟件開發中的至關重要地位。合理的數據結構能夠減少軟件開發的工作量，使軟件的邏輯性更具清晰性。5.5.3等離子體仿真軟件 EasyPSim圖 31EasyPSim 軟件界面這個案例來自上海普萊斯麥科技有限公司。他們基于開源國產工業軟件集成開發平臺 FastCAE，自主研發了等離子體仿真軟件。軟件采用三維/二維非結構化網格，核心算法是三維非結構化網格 PIC-MCC（粒子云蒙特卡洛碰撞）。這款軟件具有易于使用的前后處理器；非結構化非均勻網格，適應復雜幾何形狀；邊界面分組定義，方便模擬粒子48壁面反應等特點，同時還能處理二次粒子發射、濺射等多種碰撞

66、反應，實體及屬性分組定義，方便設置金屬和不同介質材料屬性，以及區域并行，適應大規模并行計算等要求。EasyPSim-PIC3D 求解器能夠仿真帶電粒子和電磁場相互作用，以及帶電粒子之間和帶電粒子與中性氣體之間的多種碰撞反應。它有助于科學工作者和工程師掌握非線性復雜等離子體物理過程中的物理圖像以及背后的物理機制。該軟件可以用于電子槍、離子源、輝光放電、CCP 放電、DBD 放電、潘寧放電、磁控濺射、電推進、航天器表面充電等模型的計算，并支持用戶定制開發和新功能擴展。5.5.4計算力學降維方法軟件圖 32 計算力學降維方法軟件界面這個案例來自河海大學傅卓佳老師團隊，團隊基于開源國產工業軟件集成開發

67、平臺 FastCAE，引入團隊所發展的計49算力學降維方法作為核心求解器，形成相應的計算力學降維方法軟件，可用于曲面擴散動力學和結構振動聲輻射分析等問題求解。計算力學降維方法軟件基于 Python 腳本語言，采用模塊化思路進行開發。以局部配點法和半解析邊界配點法兩種新型計算力學降維方法為核心算法，開發了自主可控的開源求解器，支持主流計算機語言平臺調用。隨后將數值求解器封裝為 exe 可執行文件，結合 FastCAE 前后處理模塊，集成了團隊所發展的新型計算力學降維方法，聚焦曲面薄體結構熱力學與空天海洋裝備振動聲輻射分析，形成了自主可控的國產軟件。計算力學降維方法軟件可應用于科學研究和工程計算，

68、為相關領域數值方法的比較研究和新算法的驗證分析提供數值參考。它可以為曲面薄體結構熱力學問題、海洋和空氣環境中荷載作用下復雜結構的振動響應以及水聲傳播行為的快速預報提供準確可靠的數值計算結果，并為工程操作和設計提供指導信息。6FastCAE 發展規劃FastCAE 發展規劃6.1技術發展規劃FastCAE 平臺采用的是 C/S 架構，并考慮了跨平臺運行和集群部署等特性。但目前 FastCAE 框架功能模塊的力度相50對較大，后續會進一步細化平臺功能單元，為上層應用提供更加靈活的擴展性。同時，還要考慮 B/S 架構的融合，打通軟件級和業務級的底層數據。團隊計劃制定統一共性的底層數據結構以及核心算法

69、的調用接口。采用統一的定制化引擎發布軟件，支持 C/S 與B/S 異構開發模式。這將有助于形成面向各領域的工業仿真APP 及多軟件協同仿真平臺。圖 33 雙路線技術架構6.2產品發展規劃基于 FastCAE 平臺現有的開源模式，進一步尋求商業模式拓展，堅持底座、共性技術開源，并采用專有模塊/組件銷售的模式。面向自主 CAE 軟件的研發、應用、教育，推出系列產品。51圖 34 短期產品規劃（一）各學科集成模板。在 FastCAE 運營和服務的過程中，一些用戶希望在通用集成框架基礎上，針對具體學科領域提供完整的軟件集成解決方案，以指導用戶的求解器開發及產品化。這些解決方案包括界面布局、交互功能、參

70、數輸入和結果可視化等。因此，基于 FastCAE 開源框架，團隊推出了面向結構、流體、電磁等不同學科領域推出對應的集成模板，并采取收費模式進行推廣。圖 35 學科模板界面（二）低代碼設計平臺。低代碼平臺兩個核心價值。一個是幫助求解器用戶快速開發產品。通過低代碼設計平臺，采用可視化定制開發模式和邏輯設計器，軟件界面 70%的開發工作可以實現，充分利用平臺集成共性功能組件，提高研發效率。平臺中將不斷補充免費組件和收費的高級功能組件。52另一個價值是，通過低代碼設計平臺可以輔助快速構建原型，在軟件研發初期可快速搭建原型，降低開發者與用戶的溝通成本，減少由理解不一致導致后期項目的不確定性。圖 36 低

71、代碼設計平臺界面（三）CAE 軟件能力集成和應用平臺。對于大型集團企業來說，在構建自主研發能力的同時，需要一套完善自主軟件集成及應用平臺。平臺能夠持續吸收國內優秀的軟件產品，同時自主開發的核心程序。它能夠實現從單個軟件集成封裝，到多個軟件協同仿真，最終實現數據的統一管理與利用。圖 37 集成和應用平臺界面（四）高端工業軟件復合人才教學平臺。平臺主要面向國家工業軟件領域緊缺人才培養需求，與高校（特軟學院）共建高端工業軟件復合人才實踐平臺。為課程教學和學生能力培養提供一個在線實踐實訓平臺，以提升對自主軟件開發和應用的能力。此外，也可作為校內各學科教師科研驗證支53撐平臺。圖 38 教學平臺架構7結

72、束語結束語本白皮書開頭給出了 CAE 的定義，明確開源模式應用目標范圍，接著討論了 CAE 軟件相關的關鍵技術；分析了我國CAE 軟件現狀與挑戰，探討 CAE 框架開源模式的必要性、優勢、目標和路徑等內容；介紹了 FastCAE 架構體系、功能模塊及相關文檔等；闡述和展示了基于 FastCAE 平臺的生態構建流程、代碼托管情況、生態成效及典型案例；最后，總結了 FastCAE 未來一段時間產品的規劃與盈利模式。受限于編者知識范圍與行業經驗的局限性，有些觀點與內容難免存在偏差和錯誤之處還請諒解和指正，更重要的是能否對 CAE 領域從業人員有一定啟發作用。同時，呼吁和鼓勵大家一同探索和參與 CAE

73、 開源底座平臺研發、CAE 開源生態構建、CAE 開源盈利模式實施，集眾智，聚眾力，加速自主 CAE 軟件產品化進程！548附錄：參考文獻附錄：參考文獻1孫東印,司建明,李郁.綜述 CAE 技術的發展和應用J.現代制造技術與裝備,2011(2):25-27.2張樹桐.淺談計算機輔助工程(CAE)的發展及應用J.科技傳播,2010(16):232-233.3Kodiyalam,G.N.Vanderplaats,H.Miura.StructuralshapeoptimizationwithMSC/NASTRANJ.Computers&Structures,1991,40(4):821-829.4鐘

74、萬勰,陸仲績.緊密結合工程 實現自主 CAE 軟件產業跨越 式 發 展 J.工 程 研 究-跨 科 學 視 野 中 的 工程,2009,1(01):34-38.5Feng Kang.Difference Schemes Based On VariationalPrincipleJ.JournalofAppliedandComputationalMethematices,1965,2(4):238-262.6孫俠生,段世慧,陳煥星.堅持自主創新 實現航空 CAE 軟件的產業化發展J.計算機輔助工程,2010,19(01):1-6.7吳圣川,吳玉程.ALOF新一代三維疲勞裂紋擴展分析軟件J.計算機輔助工程,2011,20(01):136-140.8袁明武,陳璞,鄭東,張會杰,石艷華,孫樹立,黃吉鋒,楊羅賓.微機結構分析通用程序 SAP84（版本 40）J.計算結構力學及其應用,1995(03):298-30.9胡平,衛教善.沖壓成形模具分析軟件KMASJ.模具制造 2014(06):9-11.10張洪武,陳飆松,李云鵬,張盛,彭海軍.面向集成化 CAE 軟件 開 發 的 SiPESC 研 發 工 作 進 展 J.計 算 機 輔 助 工程,2021,20(02):39-49.