遠程計算或協同CAE是計算機輔助工程領域近些年的一個研究熱點，該模式可在某種協作方式下通過設計協作、分析協作和管理協作等手段進行設計與仿真；同時，最近幾年云計算在CAE領域的研究也很活躍，它把基礎設施、IT資源、數據、應用等作為服務通過網絡提供給用戶。
如果對以上兩個研究領域進行比較，可以發現它們都是為用戶提供某種服務。其中遠程計算或協同CAE更偏重于應用，其內涵在于研究相關技術或系統(CAD、CAE、PDM、ERP等)如何通過設計協作、分析協作和管理協作等手段進行相應活動（如外型設計、有限元分析等)并最終完成工程計算任務；而云計算更注重基礎性，其本質在于通過網絡以按需、易擴展的方式提供服務，且提供的服務領域更為寬泛，包括將基礎設施作為服務(lnfrastructure as a service，IaaS)，將平臺作為服務(Platform as a service，PaaS)，或是將軟件作為服務(Software as a service，SaaS）等。
顯然，遠程計算或協同CAE不能簡單貼上云計算的標簽，反之亦然。但如果以前者為理論基礎，建立一個實用的“CAE服務系統”，將基于網絡的CAE資源統一管理和調度，構成一個CAE服務資源池，為用戶提供高附加值和低成本的CAE資源按需服務，以實現“仿真即服務”,可視為云計算思想在制造業仿真領域的體現和發展。
此類系統可為制造業信息化設計、仿真及數據服務提供嶄新的理念和模式，特別是礦山機械裝備企業，可以有效解決其技術需求和軟件需求。首先，礦山機械裝備企業多年來沒有特別重視基于先進技術的科技研究，但隨著市場競爭的加劇，企業自身為了提高設計效率，推進創新設計，對先進技術和研發工具的需求逐步提高；同時，由于資金和其他因素的困擾，礦山機械裝備企業技術人才獲得和研發工具資金投入上存在嚴重不足。因此，面向礦山機械裝備企業特別是中小企業，建立一個實用的“CAE服務系統”，有效解決其技術需求和軟件需求，顯得尤為必要。通過該類平臺系統，可以為礦山機械裝備企業提供軟件調用、軟件租用、軟件共享、技術支持等設計與仿真服務。
計算機及仿真領域的學者們針對該類系統的關鍵技術、設計模式、實現方法、體系結構、運行機制等進行了大量理論研究，本文著重從實際應用角度出發，以礦山機械裝備為工程背景。研究如何建立一個實用的“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”，討論其集成環境、物理結構、體系結構和功能結構，并通過實例研究，討論如何快速、高效地集成現有成熟的CAD/CAE技術、方法與工具，構建一個有效的礦山機械裝備云仿真CAE服務系統，為礦山機械行業、企業和產品提供遠程CAE資源服務、計算服務、軟件服務與仿真服務等。
1 系統環境
1.1集成環境
“系統”集成環境應包括工具集成和數據集成（圖1）。
圖1 系統框架
工具集成主要表現于CAD/CAE軟件的集成。在協同仿真環境中，通過封裝、接口等技術手段，主流CAD/CAE軟件高度集成，可雙向傳遞設計參數，與產品開發設計緊密相關，可隨時校驗設計并發現問題，以縮短設計周期。工具集成可為設計工程師提供集成于協同仿真環境下的、客戶化的CAD/CAE應用程序，為分析人員提供功能強大的分析工具，為管理人員提供瀏覽器界面的CAE模型和結果檢查程序。
數據集成主要表現于數據及信息處理系統與CAD/CAE的數據集成。要實現數據處理系統與CAD/CAE的數據集成，需要在數據處理系統各子系統之間構建集成接口，通過集成接口實現系統間數據的交換和通信。集成接口包括CAD/CAE端向數據處理系統端的集成和數據處理系統端向CAD/CAE端的集成。
1.2 物理結構
從物理結構與地理區域角度來討論，低層次CAE是面向多任務CAE的單機協作，中等層次的是局域網內CAE仿真，高層次仿真是面向不同地域的單任務和多任務快速協同CAE服務，其物理結構為基于云計算的的協同網絡結構，由不同地域分布的計算結點（工作站、服務器、大型機、機群等）構成，為異地用戶提供CAE計算、分析與數據服務；其邏輯結構為多學科任務在不同物理地域計算結點上并行執行，地位平等，同時不同物理地域的用戶平等的使用其提供的CAE服務，且計算結點與用戶對于協同環境也是平等的，彼此沒有控制關系與從屬關系。同時，它們通過協同環境相互聯系并與協同環境存在交互關系，如圖2所示。
圖2 物理結構
2 體系結構
建立一個易用的“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”，可以以成熟的瀏覽器/服務器(Browser/server，B/S)模式為基礎，以具體的應用模塊實現協同環境下的協同功能，并完成有效的數據與模型的管理。可使用圖3所示體系結構。
圖3 體系結構
第一層為用戶層，通過WWW技術，應用HTML、ASP.Net等Web頁面，VB、VC、VB.Net等程序語言以及CAD/CAE軟件的二次開發語言相結合，為用戶提供圖形化用戶接口，通過接口，客戶端用戶完成對CAD/CAE模型和數據的操作、顯示，實現與功能層和服務層之間的交互。
第二層是功能層或應用服務器層，主要是服務器端的各功能模塊，以實現對CAD/CAE模型、設計知識、數據的存取與檢索等應用邏輯，它是“系統”的核心，包含CAD系統、CAE系統、評價系統和管理系統等，以實現設計、分析、優化和數據管理等功能。
第三層是數據庫服務層，提供遠程CAE分析與服務過程中的模型、實例、資源、知識等數據資源。
3 功能結構
一個功能較完整的“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”，其核心功能應能夠完成協同或遠程CAE服務。從功能結構上，核心功能應能夠既包含不同CAD/CAE軟件的工具交互，又包含各不同專業領域的計算、分析、數據和資源的交互；既包含多學科領域的單機協作，又包含單領域的異地協作，以及多領域多地域的協作與交互。即可從工具協同、任務協同與異地系統等三個層次支持CAE服務，如圖4所示。
圖4 功能結構
3.1 工具協同
主要表現于CAD-CAD、CAE-CAE以及CAD-CAE之間的數據整合、共享與交換。
(1)CAD軟件(NX、Pro/E、SolidWK等)和模型數據的整合。通過CAD工具軟件的協同整合不同設計人員所建立的CAD零件模型，并實現統一環境的任意模型裝配和CAE仿真，得到CAD模型庫，并通過集成技術實現與CAD軟件之間的共享。當任何CAD和CAE人員對設計進行改變，都能立即反映到對方軟件環境中，從而實現設計-仿真的同步協同（圖4）。
(2)CAE軟件(ANSYS、Nastran、MSC等)和模型數據的整合。CAE工具軟件進行集成后，可解讀并轉換各種CAE軟件的模型數據，并轉換成分析人員所擅長的CAE軟件模型數據。如解讀MSC的有限元模型（包括其中所有單元信息和相關參數），轉換成ANSYS的模型數據，或反之。即通過CAE工具的整合、共享、接口和交換技術，實現對已有分析資源的轉換和共享（圖4）。
(3)CAD/CAE數據共享與交換。CAD/CAE工具軟件以接口、封裝或集成的方式共享模型數據，實現協同環境下雙向參數互動。CAD人員修改CAD軟件中的幾何設計參數則立即刷新CAE軟件中的分析模型，CAE人員修改CAE軟件中的分析模型參數則立即刷新CAD軟件中的幾何模型（圖4）。
3.2 任務協同
一項礦山機械裝備設計任務，可能涉及機械、電子、力學、材料、控制、液壓、軟件和結構等單領域；或者在某一領域，如礦山機械裝備CAE，可能涉及強度分析、剛度分析、屈曲分析、振動分析、接觸分析、熱分析與耦合分析等。這些不同領域或不同任務之間可能存在著不可忽略的耦合關系，要對這些復雜產品（或系統）進行完整、準確地仿真分析，很顯然采用傳統的CAE計算，單靠某一個領域的單機單任務仿真是遠遠不夠的。要對其整體系統性能進行評價，必須對其進行多學科或多任務的協同仿真與研究。
3.3 異地協同
異地協同可基于成熟的B/S模式與技術，針對不同地域的計算結點，利用跨越平臺和提供遠距離服務的底層結構如WWW進行協作，實現廣域網內不同用戶的計算協作與數據共享，部分事務邏輯在前端實現，主要事務邏輯在服務器端實現。
異地協同一方面可支持多種類型的協作，集成眾多協作功能，可提高系統的通用性；另一方面可增強系統的開放性、擴充能力和可伸縮性，便于集成現有計算結點，數據應用并可開發新的應用，滿足用戶的特殊需求，以有效解決CAE服務系統的通用性和用戶特殊需求之間的矛盾。
3.4 功能結構分析
從結構上講，“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”應是一種由各種應用技術、底層技術以及數據管理維護平臺與標準組成的支持礦山機械裝備CAD/CAE設計知識、設計、建模、仿真的集成技術：從功能上來講，“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”能夠以一體化多學科多任務耦合協同設計與仿真為核心，以并行設計思想為指導，將不同領域的開發模型相結合，從外形、功能與行為上對真實礦山機械產品進行模擬。
將工具協同、任務協同與異地協同三個層次的CAE服務應用于礦山機械裝備設計領域，可充分體現CAE服務的手段、結構、功能與目標。其中各種應用技術與底層支撐包括ANSYS、NX、Pro/E等CAE/CAD工具軟件、ASP.Net、VB.Net、APDL等開發平臺、開發語言以及其他相關應用程序或標準（如STEP、IGES等）；實現手段與應用目標為通過異地協同與工具協同，以知識資源、數據服務、選型服務、強度與剛度分析、參數優化設計、接觸分析、模態分析、譜分析和屈曲分析等CAE服務為基礎，進行多任務耦合協同環境CAE仿真，實現設計目標，如圖3所示。
工具協同、任務協同與異地協同并非各自孤立支持CAE服務，它們之間互相聯系、互相滲透并具備相對層次關系。其中，任務協同是“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”的核心、關鍵與目標。處于最高層次；工具協同支持建立的幾何模型與有限元模型對具體CAD/CAE對象提供模型與工具支持；以硬件設備和應用技術封裝建立的異地協同環境，對工具協同與任務協同提供底層支撐與信息交互平臺，處于最底層，如圖1、4所示。
4 應用實例
基于上文“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”的集成環境、物理結構、體系結構與功能結構分析，建立了“礦山機械CAE技術公共服務平臺。在技術上，“平臺”基于軟件資源虛擬化技術，封裝各類仿真模型、計算資源與數據資源，通過高性能計算結點提供快速設計、仿真與數據服務。用戶在系統上注冊后，可自動提出問題，系統自動構成用戶所需要的仿真模型，并實現異構的應用軟件之間的協同運行，滿足用戶的各類設計、仿真與數據等需求。
在功能上，“平臺”主要面向礦山機械裝備企業采煤機、刮板輸送機、掘進機、提升機、電除塵器等礦山機械裝備，提供基于網絡的遠程CAE服務，包括以下幾點。
(1)礦山機械CAE技術公共服務平臺網上合作技術知識資源。該部分主要面向礦山機械裝備提供設計資源服務，包括：計算資源、數據資源與服務資源等。
(2)基于Web的礦山機械裝備關鍵零部件CAE分析系統。該部分主要面向礦山機械裝備提供CAE分析服務，包括：采煤機、刮板輸送機、掘進機、礦井提升機、電除塵器等，可提供的遠程CAE分析服務包括：靜態分析、無預應力模態分析、有預應力模態分析、諧響應分析、瞬態分析等。
(3)基于Web的礦山機械裝備關鍵零部件遠程參數化建模系統。該部分主要面向礦山機械裝備提供遠程參數化設計與變型設計服務，包括：采煤機、刮板輸送機、掘進機、礦井提升機等。
(4)基于網絡的礦山機械選型設計服務系統。該部分主要面向礦山機械裝備提供遠程選型設計服務，包括：采煤機、礦井提升設備、排水設備、通風設備、刮板輸送機、壓氣設備、電機車、供電系統與膠帶輸送機等。
(5)基于網絡的礦山機械設備運行服務系統。該部分主要面向礦山機械裝備提供遠程運行服務，包括：設計數據庫服務、技術測定與分析服務、故障診斷服務和管理系統服務等。
目前該系統還在不斷完善和擴充中，本例以第(2)部分“基于Web的礦山機械裝備關鍵零部件CAE分析系統”-“基于Web的采煤機關鍵零部件CAE分析系統”-“采煤機內牽引部關鍵零部件”無預應力模態分析為例，對“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”用于礦山機械裝備的遠程CAE計算服務進行簡要說明。
4.1 設計原理
對于遠程快速CAE仿真，一般來講有三種典型形式：①遠程軟件包共享；②遠程操作開發獨立的跨平臺環境，實現遠程操作；③通過網絡技術來擴展傳統的可交互的軟件，對軟件進行異地調用。
本例采用第3種方法，應用B/S結構模式，通過數據庫技術、ASP.Net技術、VB.Net技術等實現遠程CAE計算應用服務。底層CAE軟件采用通用大型有限元分析軟件ANSYS，系統將用戶在ANSYS環境下所進行的操作封裝為宏，供用戶進行遠程調用，以實現遠程CAE應用。
首先，CAE分析服務中心接收到用戶提交的產品分析任務包，注冊此任務后，以友好的圖形界面引導用戶輸入或選擇分析所用到的參數，用戶不需要了解命令文件的產生過程。從模型的建立，到網格的劃分，以及約束和載荷的施加，系統自動生成可以執行的命令文件。系統采用完全的功能封裝方式，將用戶在ANSYS環境下所要用到的所有功能進行封裝，在客戶端用戶按照設計步驟填入參數，系統自動編制成分析命令批處理腳本文件，將生成的命令文件提交給分析求解器，求解器自動執行命令文件，完成有限元分析。后處理過程也采用批處理命令流方式，一次性提取用戶關心的所有分析結果，如表格、數據、圖形、動畫等，最后由CAE分析服務中心返回給用戶。
設計原理如圖5所示，主頁面如圖6所示。
圖5 設計原理
圖6 主頁面
4.2 底層工具
(1)ASP.Net。ASP.Net是微軟在ASP之后推出的全新一代動態網頁實現系統，是.Net開發平臺的重要組成部分，基于微軟.Net平臺架構，在服務器后端為用戶提供建立強大的企業級Web應用服務的編程框架。
ASP.Net與現存的ASP保持語法兼容，但是并不是ASP的簡單升級。其與ASP的主要區別表現于以下幾個方面：①開發語言不同：ASP僅局限于使用腳本語言來開發；ASP.Net允許用戶選擇并使用功能完善的編程語言，也允許使用潛力巨大的.Net Framework；②運行機制不同：ASP是解釋運行的編程框架：ASP.Net是編譯執行，效率更高：③開發方式不同：ASP把界面設計和程序設計混在一起；ASP.Net把界面設計和程序設計以不同的文件分離開，復用性和維護性得到了提高。
(2)VB.Net。Visual Basic.Net(VB.Net)是基于微軟.Net Framework之上的面向對象的中間解釋性語言，可以看做是Visual Basic6.0在.Net Framework平臺上的升級版本，增強了對面向對象的支持，是.Net框架的支柱，同時更是語言演變過程中的又一個進步。
與VB相比，VB.Net不但具備了任何面向對象編程語言所具有的抽象性、封裝性、多態性，而且在繼承性上完全支持繼承VB版本。引入完全繼承后，VB.Net是真正的面向對象語言，在保證功能強大的前提下可大大提高開發速度。
(3)APDL。ANSYS參數化設計語言(ANSYS parametric design language，APDL)是一個功能強大的專用描述性、解釋性語言，類似于FORTRAN，它可以實現模型的參數化，可以獲取ANSYS數據庫信息，可以進行數學運算（包括矢量及矩陣運算），可以定義經常使用的命令或宏的縮寫（快捷鍵），可以用if-then-else分支結構和do循環及用戶指令生成執行一系列任務的宏。簡言之，APDL可以實現有限元分析的參數化建模、加載、求解和后處理，可以定制人機數據和信息交互界面，可以用其開發特殊分析功能的有限元專用分析系統，是實現遠程CAE分析服務的有效手段。
4.3 功能模塊
(1)前處理。人機交互模塊采用Microsoft公司推出的Web應用程序開發技術——ASP.Net技術，實現客戶端與服務器的信息交互。它的主要功能是實現幾何模型（參數）調入，輸入模型實際工作時的各種載荷數值、約束條件（加載位置與約束位置在APDL中已預先定義）與有限元模型網格大小等。服務器端即可獲得用戶輸入的幾何信息和有限元模型信息。
(2)求解。由人機交互前處理頁面輸入的參數存放到一個文本文件中。利用VB.Net文本處理函數以文本追加的方式將界面輸入的參數讀入到進行分析所必需的APDL文本文件中，實現為APDL參數宏文件中的宏參變量賦值。從而組合成供VB.Net調用的ANSYS命令流文件。具體實現過程如下。
1)在人機交互前處理頁面輸入分析所需參數，并保存到文本文件中。
2)將該文本文件追加寫入到APDL文件中，為文件中的宏參變量賦值，作為ANSYS自動讀入的分析文件。
3)通過VB.Net中Process組件的Start方法，以后臺運行的方式實現VB．Net對ANSYS的調用，自動讀入分析文件，進行求解。
(3)后處理。求解完成后，用戶可根據需要索取節點自由度結果及位移云圖等，通過客戶端瀏覽和下載，如圖7所示。用戶可對結果進行判斷，確定結構是否滿足設計與分析要求。若不符，則可通過參數頁面修改參數值重新生成分析模型并進行設計和計算。
圖7 返回結果供用戶瀏覽或下載
5 結論
(1)為解決礦山機械裝備企業技術力量弱、資金不足但需求旺盛的矛盾，建立“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”，為其提供軟件調用、租用、共享和技術支持的重要驅動。
(2)“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”功能結構可從工具協同、任務協同與異地協同等三個層次支持礦山機械裝備CAE設計、計算與數據服務。
(3)“礦山機械裝備云仿真CAE服務系統”基于軟件資源虛擬化技術，封裝各類數據資源、工具軟件與仿真模型，通過高性能計算結點提供快速設計與仿真服務。用戶在系統上注冊后，可自動提出問題，系統自動構成用戶所需要的仿真模型，并實現異構的應用軟件之間的協同運行，解決用戶的各類設計與仿真需求，為礦山機械裝備制造企業提供遠程CAE資源服務、計算服務、軟件服務和仿真服務等。
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