7月24-29日，中国空气动力研究与发展中心举办了“国家数值风洞风雷软件开源用户体验大会”。会议主要对风雷软件(PHeng LEI)进行了详细介绍，同时开展了风雷软件的软件架构及相关使用培训。
会议期间，FastCAE团队应用FastCAE开源集成平台，针对风雷软件结构、输入输出文件格式及软件运行机制等特点，对风雷软件界面、几何导入、网格导入交互、后处理等功能进行封装集成，助力风雷软件产品化与市场化发展。
风雷软件简介
风雷软件(PHengLEI)是由中国空气动力研究与发展中心开发，拥有自主知识产权的计算流体力学CFD软件平台。已在国内广泛推广使用。作为当前实施的国家数值风洞系统的重要组成部分，正在集成包括飞机结冰、风工程、化学反应与燃烧、高精度等学科物理模型。针对多学科、多物理模型集成开发的需求，为了适应下一代高性能计算机硬件，在已有工作基础上，进一步设计了面向下一代高性能计算的PHengLEI软件体系结构和数据结构。
风雷软件组成(Composites of PHengLEI)
集成工具—FastCAE简介
FastCAE，是一套开源国产CAE软件集成开发平台。面向求解器开发者，平台定义了规范的数据接口，支持插件开发模式，可视化配置手段，基于平台可轻松集成用户自研求解程序和第三方求解器。
FastCAE的本质是一套CAE软件集成接口标准和数据标准框架，基于该框架可集成任意的求解器、前处理、后处理等功能模块。平台默认提供完整的几何显示交互、网格划分、结果可视化、边界条件、材料库等模块，为自主CAE软件产品化提供一体化解决方案，让用户享受集合前处理、求解计算、后处理于一体的平台化集成体验。 
FastCAE赋能开源开放平台，构造CAE软件研发生态
风雷软件与FastCAE的集成
集成目标：
1. 在风雷开源框架基础上扩展求解算法，应用FastCAE开源集成平台，快速制作软件界面，方便软件验证与迭代。
2. 在风雷开源框架基础上扩展求解程序，应用FastCAE开源集成平台，快速封装成CAE产品，加速应用与市场化。
集成过程：
集成过程分为两部分，第一部分是通过可视化定制工具对软件界面进行可视化定制，包括软件基本信息，树形菜单节点及对应参数，求解器信息等；
第二部分是通过插件对软件的数据处理与转化逻辑进行定制，包括注入树形菜单的右键菜单，实现网格转化的功能；以及实现专门的数据转化功能，按照要求的路径与格式写出需要的求解参数文件。
网格导入并对网格进行分区渲染
设定仿真参数
集成效果图
集成效果完整演示视频
后续规划
FastCAE团队计划在未来实现基于FastCAE和“风雷”开发者，采用可视配置模式，不编写界面代码，即可自定义前后处理及软件界面，具体完成以下功能模块：
FastCAE平台集成网格文件转换直接输出；
FastCAE计划接管“风雷”结果文件输出函数生成；
深度开发“风雷”界面适配插件，方便用户可以直接使用；
发布“风雷”与FastCAE结合版本。
“风雷”软件是国内首款具有自主知识产权的面向工程应用和学术研究的大型通用CFD软件平台，自2016年全国免费发布使用以来，用户单位遍及全国航空航天研究院所和高校。此次“风雷”软件在国际形势瞬夕万变之际开源，体现了对国家工业软件行业的担当，不但为打造开源国产自主工业软件研发生态奠定了基础，也将为推动中国工业软件研发新生态起到重要作用。
未来，FastCAE也将不断支持国产开源工业软件研发，为助力壮大国产工业软件不断注入新动力！
国家数值风洞风雷软件开源用户体验大会合影
会议上FastCAE团队负责人唐滨对集成过程进行介绍发言
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导言
在当今中国的各个领域，“弯道超车”是个经常被提及的口号，然而常识和交规告诉我们，弯道不仅不能超车还得减速，超车极其危险。仔细解读“弯道超车”，其实还暗含了三个前提条件：1.两车的差距不能太远；2.车本身动车要动力十足；3.弯道的路况要好。但是很多行业都不具备这些条件。多年以后我们回头看现在的“弯道超车”和我们现在看大跃进时的“亩产万斤”如出一辙。
工业仿真软件，这里主要指计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)软件，包括通常意义上的CAD，CAE，CFD，EDA，TCAD等。对CAE行业稍微了解的人就知道，目前中国CAE软件市场完全被外资产品占据，大到Ansys，海克斯康(2017年收购MSC，以前笔者分析过收购原因)，Altair，西门子，达索，Cadence，小到Comsol，Autodesk，ESI，Synosys，Midas，Livemore等(这里的大小以市场份额来算)。关于国内为什么没有CAE软件的原因很多人做过分析，有些分析相当中肯，但是很多没有点到痛处，同时也缺乏指导性。
工业仿真软件，在中国长期以来被人误读很深，因为产品设计缺乏自主创新，市场上也缺乏相应国内产品，工业仿真软件要么被认为是可有可无的附属品，要么被夸张为高精尖的核心技术产品。在上文中，提到了一个软件项目成功与否可以从软件技术，工程技术，市场价值和策略三个方面来考量
1.软件技术，开发软件所涉及到的一系列技术，涉及到的技术有计算机图形学，几何造型，网格技术，用户交互，核心求解器，高性能计算，优化算法以及其他底层IT技术等等。
2.工程技术，工程技术是指在工程实践中积累的经验，比如飞机的设计参数，隐形材料的配方，某种先进的工艺流程。
3.市场，与商业相关的都可以理解为市场，比如投入多少，收入多少，营销，销售，市场份额等。
软件方面：
不像快速变化的APP，互联网软件，当前大部分工业仿真软件技术的核心算法和底层技术在上个世纪已经成熟，比如有限元方法四五十年前都提出；FDTD在上世纪六七十年代提出；流体中的FVM也差不多在上世纪七八十年代，多年来在湍流和大涡模型改进；电磁领域仍然是围绕求解Maxwell方程展开；大多数三维实体建模软件的内核ACIS/Parasolid 核心概念和实现也是在上世纪七八十年代，虽然版本一直在更新，但在理论算法上很难有大的突破。
而对应的网格技术，线性方程组算法，并行计算，用户交互，性能问题，HPC基本也都是循序渐进的提升，少有颠覆式的创新。这里要提一下开源工具，笔者用过很多开源仿真工具，其本质上是某些理论的实现，并无太多创新，很多真的就是工作量的事情，工业仿真软件的重点并不是解决某一类技术问题，工业仿真软件考虑的是稳定性，准确性，可靠性，可维护性，性价比，用户体验等。大多数开源工具在这些方面达不到要求。
工程技术方面：
一贯的观点是：软件是工具，利用软件积累起来的工程技术经验才是核心技术。离开时了工程实践和试验，软件只是一个外壳。看另一个极端的例子，大家都知道中国的高铁动车技术发达，如果把高铁动车的设计仿真资料，流程，工艺融合在一款软件里，在动车设计领域必定是一款畅销的软件产品，但这样的软件无法走向市场，更不可能走向国外市场，因为这种核心技术不可能外泄。从这个意义软件上讲，凡是能用的软件都是工具，而不是所谓的“核心技术”，核心技术是需要长期积累，即使转让也要长期消化。
市场方面：
欧美发达国家有着成熟的知识产权保护体系，软件从开发，销售，维护，都有着严格的IP保护，软件产品也有系统的盈利模式，基本不存在盗版一说。一般工业仿真软件最初都是技术性驱动，到后来会变成业务性驱动，业务性驱动稳定之后会引入充分的市场竞争，整个市场会趋于良性发展，简单讲就是各个厂商会在盈利的同时力图保持技术的先进，从而推动整个行业往前发展。以Mentor为例，每年仅支付几何图形软件开发工具的License费用高达5，6百万美元(注意：不是软件，是软件开发工具)，这在国内是想都不敢想的。因为实在太贵了，这些开发工具在国内基本无人问津，国内要么用盗版，要么用开源，所以没有坚实的底层技术积累，上层应用也就无从谈起了。
以几款软件为例，后面的百分比是一个大概的影响因素比例：
1.操作系统window软件
软件技术：技术垄断，软件本身就是其核心技术，体量大开发周期长(50%)
工程技术: 无
市场：垄断市场，一旦有相关产品出现，立马降价或者免费，维护其垄断地位,收入有保证，围绕操作系统的附加产值高(50%)
2.三维通用CAD软件
软件技术：研发周期长，底层技术稳定(30%)
工程技术：依托行业背景，出现大量的融入行业背景技术的的专业CAD(20%)
市场：市场体量大，厂商众多，竞争充分，投入周期长，投入大(50%)
3.PKPM
软件技术：(10%)
工程技术：行业背景强，融入设计规范(60%)
市场：市场体量大，壁垒高，容易形成垄断。(30%)
4.Nastran
软件技术：技术积累时间长(20%)
工程技术：NASA起家，拥有大量的实际工程经验(60%)
市场：在某些领域(比如航空航天)处于垄断地位。(20%)
5.STAR-CD
软件技术：技术积累时间长，有很多独特的算法(20%)
工程技术：拥有大量的计算案例模型(50%)
市场：CFD领域拥有重要的一席之地(30%)
6.HFSS
软件技术：求解器，网格划分，建模技术构成其核心技术(30%)
工程技术：拥有大量的计算和试验数据对比，求解器以其稳定性和准确性成为行业事实上的标准(40%)
市场：市场龙头(40%)
7.COMSOL
软件技术：利用数值计算方法求解各物理场PDE，大而全(50%)
工程技术：(20%)
市场：偏向于研究型领域市场(30%)
8.Ansys
软件技术：早期老牌CAE，技术积累时间长(20%)
工程技术：拥有大量实际案例和客户工程应用经验(40%)
市场：推广早，通过各种并购占据市场第一份额(30%)
9.LS-DYNA
软件技术：显式动力学鼻祖(20%)
工程技术：提出了大量模型应对实际工程(40%)
市场：成为碰撞，冲击动力学分析事实上的首选工具(40%)
10.Algor
软件技术：早期大型通用CAE软件(20%)
工程技术：(20%)
市场：被Autodesk收购，市场份额有限(60%)
从上面几款软件可以看出，工业仿真软件的重头还是工程技术和市场，软件的因素只占一小部分，这也决定了工业仿真软件与普通软件的根本区别：技术驱动和业务驱动并存，不太可能有颠覆式的创新，也不太可能通过新的商业模式产生质的改变；市场需求稳定，很难出现爆炸式的增长。
所以要发展工业仿真软件，唯一可行的道路就是：踏踏实实积累技术，让用户和市场检验完善产品，切实解决实际工程问题，一口一口啃下市场份额，尤其是国外成熟的软件市场，否则，发展CAE软件就是一句噱头，更谈不上“弯道超车“。
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long time 没更新，前一段时间在准备硕博连读答辩。因为执着于写代码研一还没论文，有点难过，不过结果应该还好，默默等待公示ing。（不多啰嗦进入主题）
由于实际应用需要，结构网格实在是搞不定我的需求了，解决实际问题的疯狂加密让程序根本就算不动。因为早就想搞非结构网格了所以就下手了。我强迫症实在太重，接受不了用icem画完网格再导入程序中，而且以后项目做软件也不太好把网格生成留给icem有点奇怪，所以只能自己写程序搞非结构网格。
然而天真的我觉得我能快速自己造一个非结构网格的轮子，我就自己看原理写程序。然后在Scipy库的spatial模块里面找到了delaunay函数。
delaunay三角剖分即将平面点集剖分为三角网，且满足两个重要准则： 三角网内的任意四点不能共圆、在所有的可能集中选择最大化最小角。
简单试了一下网上的例子，效果还不错。
划分三角网很简单，但问题在于没有点集我咋划分... 然后我就看了一本讲CFD网格生成的书，我立刻劝退自己，这个太深奥了不适合我。我想了一下可能需要自己生成点集。
说干就干！我要做的求解域很简单，就是一个矩形中间套一个小圆，尺寸不固定可变化。然后我就想我给它分层手动分点然后再把这些点输入delaunay函数中不就有三角形网格了么。我花了小一天时间分三步实现了我的想法。
第一步：先剖分圆，从内到外多画几个圆，然后拆成点，再设个增长因子调节网格变化率。
def circle_mesh(r, n, factor):
    """
    把圆剖分为三角形网格
    :param r: 圆的半径
    :param n: 径向分层
    :param factor: 从内向外的增长因子 大于1越来越稀疏 小于1越来越紧密
    :return: x坐标的array, y坐标的array
    """
效果炸裂，和我预想的一模一样。
第二步：剖分矩形，也是从内到外多分几个矩形，然后再设个增长因子调节网格变化率。
def square_mesh(length_x, length_y, factor, num):
    """
    把整个矩形剖分为三角形网格
    :param length_x: 矩形的宽
    :param length_y: 矩形的高
    :param factor: 从内向外的增长因子 大于1越来越稀疏 小于1越来越紧密
    :param num: 内部的分段数量
    :return: x坐标的array, y坐标的array
    """
效果还行吧。
第三步：把矩形和圆形连起来就可以得到我想要的网格了。中间我还想了一下，圆直接过渡到矩形可能不太光滑，然后我设置过渡区第一层是36边形，第二层是18边形，类推到四边形。我还用上了我曾经教小朋友的几何知识，感觉自己牛炸了。
def square_to_circle_mesh(length_x, length_y, factor, r, circle_num, circle_factor):
    """
    生成圆形向长方形过渡的网格
    1. 方形的层厚度完全由增长因子决定，因为最小层厚度由圆的最外层决定。
    2. 为了避免取层数时无法取整，会根据增长因子进行微调。
    3. 由于增长因子只是一个大致的可视化参数，不是严格要求的几何计算参数，只要网格还算平滑即可
    :param length_x: 长方形的宽
    :param length_y: 长方形的高
    :param factor: 长方形的增长因子（外疏里密，要求增长因子大于1）
    :param r: 内圈圆的半径
    :param circle_num: 圆内层数
    :param circle_factor: 圆内增长因子
    :return: 返回x和y的坐标数组
    """
然后生成了这么个东西，我真的一言难尽。经过仔细分析之后我发现我这种分层生成点的方法要是能生成CFD网格就出鬼了。于是我放弃了这个天真的念头，又打开了那本我看不懂的天书。简单看了一下之后我就明白天书还是天书，看这个还不如去看之前我一直没搞懂的meshpy源码，于是我就搞起了meshpy。
meshpy官网上的简介是这样的：
MeshPy offers quality triangular and tetrahedral mesh generation for Python. Meshes of this type are chiefly used in finite-element simulation codes, but also have many other applications ranging from computer graphics to robotics.
In order to generate 2D and 3D meshes, MeshPy provides Python interfaces to three well-regarded mesh generators, Triangle by J. Shewchuk, TetGen by Hang Si The former two are included in the package in slightly modified versions. A generic mesh reader for the latter is included, as is an easy way to run gmsh from a Python script.
大意就是这是一个生成有限元网格的python开源库。其中的平面三角形网格是封装的Triangle，然后四面体网格封装的TetGen。我理解就是他做了一个接口让python能够调用这些库。我花了两天多时间艰难地读了源码和这几个库的文档终于把他们连起来了。
总学习耗时 = 2days vtk + 2days meshpy + 1days Triangle
一旦把源码和文档摸透，实现起来还是非常简单的。我在我的程序框架里又封装了下meshpy，因为原来的一些函数很难理解而且不好用，我都改成了自己比较习惯的方式捏合到了我的网格生成程序中。有些在Triangle中有而meshpy没有的功能我也通过改源码添加上了。这是我第一次完整读懂源码并进行修改，成就感无敌。下面上图：
把中心加密一下。
再加一个圆试试。
这次的效果总算是满意了。
最近一直在搞自己的程序框架，改成非结构网格之后程序要调整的内容实在是太多了，慢慢来吧，希望能够早日转换成功，通用性就再也不是问题了。
前处理基本上是实现了，程序调完还要搞后处理程序，框架就基本搭好了。距离做一个简单数值模拟框架的目标又近了一步，程序猿慢慢加油吧！！！up！up！up！如果有这方面的大神对我在干的活有啥想法和经验可以传授的欢迎评论啊，一个人码代码还是挺痛苦的。
最后欢迎点赞，关注，评论支持。如果大家都需要的话我会单独出一期有关meshpy用法的更详细的文章，谢谢大家！

应用ABAQUS软件动力分析模块对钻柱-钻头-岩石系统进行仿真模拟, 建立的有限元模型包括了转盘、钻杆、底部钻具组合、钻头以及岩石等部件。




模型中钻头采用5刀翼PDC钻头，并设置其为刚性单元，其它部件设置为弹性单元。岩石岩性为石灰岩，并考虑其弹塑性力学特性。为了提高求解精度，单元网格划分时分别将PDC钻头的切削齿以及钻头主要接触的岩石区域进行加密处理，从而保证网格划分的精细度已对结果不再产生影响。

在载荷设置过程中，分别对转盘施加一个恒定的旋转角速度，对底部钻具组合施加一个恒定的钻压，对PDC钻头施加一个简谐冲击载荷。位移约束方面，对整体模型施加X方向固定约束，在岩石底部施加全固定约束。

模拟结果：



作者：LiSQ