自主仿真软件PERA SIM体验-声学边界元
“ 自主仿真软件PERA SIM，新增声学边界元物理场。”
2020年末，安世亚太正式发布了其自主开发的通用仿真软件PERA SIM。时隔近一年，现在的PERA SIM软件进展如何？
最近，小喵有幸得到了PERA SIM最新版软件的内测体验资格。一起来体验看看吧~
虽然PERA SIM软件的发布时间较短，但它已经初步具备了比较全面的仿真功能。在PERA SIM产品定义之初，安世亚太就为其规划了结构、流体和电磁三大物理场。最近，PERA SIM又新增了声学物理场。这篇文章，我们就用PERA SIM的声学物理场来求解一个标准算例，与其他仿真软件的结果做一个对比。
软件安装好后，桌面出现PERA SIM的图标。软件名为PERA SIM Space，版本2021R1。打开软件时，一闪而过的欢迎界面中可以看到流体、电磁和结构物理场的分析案例展示。
欢迎界面上，可以看到软件支持结构、流体、电磁、声学四大物理场。
左上角选择物理场，右侧选择对应的分析类型。下方是求解器、模型名称等信息。界面设计很直观，从下方按钮可以看到，除了支持新建模型、打开项目以外，PERA SIM还支持运行Python脚本。点击创建新模型，进入PERA SIM软件的主界面。还是熟悉的界面布局，但图标明显经过重新设计，下拉菜单等控件按钮也进行了优化，整体界面风格比去年发布会上展示的更清爽了一些。
（为了阅读方便，截图时缩小了窗口尺寸）
可以看到整个软件界面上功能比较完善。左侧是模型树，中间是几何窗口。菜单栏下面是一些视图相关操作按钮，图标非常直观。右侧是选择相关功能，可以单独选择点、线、面、体，支持框选和套索，还可以选择单元的节点、边、面和体单元。PERA SIM软件包括草图、零件、计算域、网格、属性、任务、边界条件、作业、结果共9个模块。每个模块独特的功能区在几何窗口左侧。界面布局和Abaqus类似，但模块的排列顺序以及许多其他细节还是有较大差异的。
界面下方是基于Python 3.8的控制台、信息窗口，还有右面两个目前暂时是空白的窗口，分别是结果文件浏览器和数据视图。界面允许自定义，不同的窗口也可以重排或是变成选项卡。
根据安世亚太官方的声学产品介绍，PERA SIM Acoustics目前支持三维的声学边界元求解，可以实现并行计算功能。
这里我们用一个最简单的标准算例，来演示一下PERA SIM声学分析的功能和操作流程。
一个刚性球体放置于空气中。在这个模型里，中间的球是声学边界元的边界面；而周围一圈圆环是声场面。从无限远处传来强度为1Pa的入射声波，经过球体后声音发生散射。从这个案例的建模过程中，可以看到PERA SIM的基本功能。因为在不同物理场之间，建模、网格划分等模块都是通用的。
对于外侧的圆环场，可以在草图模块中创建圆环，生成零件。
在网格模块中，可以进行全局和局部的网格控制。网格尺寸设置中，默认使用自适应大小，将按照特征尺寸的百分比来划分网格。
局部网格控制窗口可以选择一维（边）、二维（面）和三维（体）进行局部网格控制。为了在圆环场面划分映射网格，我们选中内外两侧边，指定分为100段。
定义好的局部网格控制，会在左侧模型树中显示为网格控制对象。这个设计让用户可以很方便的查看和修改所有的网格控制参数。
网格划分结束后，在界面的右上角可以切换几何与网格显示。
对于这个声学案例，中间的刚性球体单元法向必须向内。PERA SIM在声学的网格划分模块中，支持查看和修改单元法向。
在属性模块中，可以编辑声介质的属性。包括密度、介质中的声速、参考声压等。PERA SIM会在材料窗口默认帮你填好空气的介质参数。然后将这个球面和圆环面分别指定为声边界面和声场面。
切换到 任务 窗口，我发现PERA SIM已经默认创建好了一个分析任务。这个小细节还是很不错的。可以看出PERA SIM在设计界面的时候有自己独特的思考，对于一些固定的操作流程，尽量将默认设置给用户做好。
作为一个验证案例，我们来求解从54到540Hz的10个频率点。在求解方法面板中，可以看到目前支持的求解器类型共有四种。这里使用默认的快速多极子方法。
边界条件方面，这是一个刚性球，受到-x方向大小为1的平面入射波。所以对球面施加法向粒子速度为零的约束。声源选择(-1,0,0)方向的声学平面波。
在选择施加边界条件的时候，小喵尝试了一下PERA SIM的选择功能。目前的选择功能比较丰富，还可以基于选择集来定义边界条件，基本可以满足常见的单元选择和边界条件定义需求。提交计算作业的窗口也是一样，默认就为用户创建好了一个频响分析任务。提交计算后，还可以在信息窗口处看到收敛的残差曲线。计算速度很快，不到一分钟就算好了。
跑出结果啦。在后处理中，可以查看声场压力的实部和虚部，以及合压力Magnitude：
同样的验证案例，在Comsol声学模块的案例库中也有。从云图的范围可以看出，PERA SIM的求解结果和Comsol是一致的。
虽然这个案例计算的是声学，但从中也可以体验到PERA SIM的许多通用功能。比如整个GUI界面的布局、选择集的使用、网格划分功能、边界条件的定义、以及求解和后处理中云图的展示等。我自己体验后的感觉是，目前版本的PERA SIM已经具备了比较完善的基础功能，而且在界面设计的风格和细节上 相比去年发布会上的展示也有不小的进步。虽然从整个界面的布局中能看出Abaqus的影子，但在许多细节上，例如在左侧目录树中保留网格划分控制对象、默认填写材料参数、默认创建分析步和计算任务等地方，还是可以看出设计者的独立思考。这篇文章写的比较详细，但其实这并不是一篇教程，毕竟目前据我所知PERA SIM还没有向外界大规模开放测试。我把操作写详细的目的也不是要教会读者哪些操作步骤，只是希望能让读者更多的看到这款软件界面上的一些细节。
过去几十年人们常说中国计算机行业“缺芯少魂”，中国工业也同样缺芯少魂。但我们也能欣喜的看到，在每一个尖端领域，现在都已经有一些为解决“卡脖子”问题而生的自主公司走到了产业化、商业化的阶段。从存储芯片行业的合肥长鑫、长江存储，芯片制造行业的中芯国际，到芯片设计领域的平头哥、紫光，我们普通消费者逐渐都能在这些行业买到全国产的产品。今年双十一，我就下单买了一条使用长鑫颗粒的国产内存。就在前些天，小喵使用的并行超算云刚上线了“先导一号”超算分区，据说就使用了国产的海光 x86 CPU。华为在11月9日的操作系统产业峰会上宣布向开放原子开源基金会捐赠欧拉操作系统。中国在计算机领域的“缺芯少魂”正在逐步解决。
而工业领域，CAE作为最重要的工业软件类别之一，我们也能看到包括安世亚太在内的许多中国公司为实现CAE自主化做出的努力。虽然现在看来我们和国际巨头的差距还很大，但道阻且长，行则将至。今年以来，进入CAE领域的风险投资增加，也有越来越多的初创公司或老牌企业进入自主CAE这一赛道。我想，就如同每一位中国程序员心中都或多或少曾期望能用上中国自主的芯片和操作系统一样，我们每一位中国的CAE仿真工程师也都有过发展自主仿真软件的情怀和梦想。我们知道，无论是操作系统，还是仿真软件，如安世亚太的田锋总所说，都是时间的孩子。都需要下苦功夫，用时间和心血浇灌才能茁壮成长。必须承认，PERA SIM软件与世界一流的仿真软件相比还有很大差距，还有很长的路要走。它的功能还不够丰富，还需要继续完善。九层之台起于垒土，以目前PERA SIM软件的状态来说，地基可以算基本完成，已经在逐渐建起高楼了。
希望PERA SIM能继续坚持，不断进步。到明年，后年，希望能看到它的2022、2023版本，看到它真正走进制造业企业，实现“赋能开道”，完成满足用户刚需、替换进口仿真软件的使命的那一天。
