航空产品数字化设计与NVIDIA Quadro FX专业显卡

2009-11-20 作者: 佚名 来源: 智造网

关键字: 产品数字化设计 航空产品数字化设计 Quadro FX专业显 

从本期开始,本专栏将转向一个新的方向:从泛化的Quadro FX技术和产品介绍,转向与行业特点、专业图形应用需求相结合,帮助不同行业、不同专业软件的用户选择适合自己的Quadro FX专业显卡产品或专业图形解决方案。

  一、航空产品数字化研发的幕后英雄:NVIDIA Quadro FX

  1. 航空产品数字化研发和CATIA三维设计软件

达索系统的CATIA
图3 达索系统的CATIA是航空工业设计的事实标准

  纵观CAD/CAM技术发展的历史,航空业可以说是不断推进CAD/CAM技术进入工程实践的先驱。而CAD/CAM技术的引入,反过来也使得更复杂、更大型的航空产品的研发和制造成为可能。早在上个世纪的50、60年代,航空业的工程师就已经开始在产品设计过程中使用二维CAD技术,以提高设计更改的效率,加强设计知识和数据的重用。随着产品复杂程度的提高,二维CAD技术已经不能满足复杂航空产品的设计要求。飞机设计师希望使用更为直观的三维模式设计产品。当时,法国达索航空的一位设计师在他的设计经验报告中写道:“我们是工程师,不是艺术家,但是,用二维图纸表达一架飞机的全部信息,确实需要我具有艺术家的想象力!”确实,使用二维信息表达近百万个零部件的工程数据,兼且描述它们之间的装配关系,确实是令人头疼的工作。

  在这种情况下,上世纪70年代,达索航空的工程师们开发并首先使用了一种全新的三维CAD/CAM系统——Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application——CATIA。CATIA的诞生和应用拉开了航空产品设计史新的一页,航空业复杂、大型工程数据的表达方式从二维到三维,数字化技术开始从设计向工程分析、仿真和工艺规划渗透,大型产品的全数字化虚拟样机成为可能……从1982年开始,CATIA V1、V2和V3相继发布,直到1993年发布的V4版本。CATIA已经成为了全球航空业产品数字化设计的标准平台,100%的飞机主机企业使用CATIA,而CATIA本身也因为长期接受航空工业用户的磨砺,蕴含了丰富的航空产品数字化设计的经验。

  现在,航空业普遍使用的是基于Windows的CATIA V5(从1994年开始研发),而最新的V6版本刚刚在2008年底发布。使用CATIA设计的产品耳熟能详,波音737、777,空客A380,法国阵风战斗机,Bombardier公司的Global Express 公务机,Lockheed Martin公司的Darkstar,当然还有中国的飞豹、枭龙、歼10和ARJ21支线客机……

  CATIA三维设计之所以能够在上个世纪80年代、90年代迅速普及,除了用户需求迫切和软件功能适用之外,还有一个原因就是计算机硬件性能的迅速提高。其实,70年代就已经有人研发三维设计系统,但当时的计算机性能有限,价格也非常昂贵,工程应用三维技术的可操作性不高,且硬件成本高昂。到了80年代中期,UNIX小型机的性能已经可以满足CATIA V4运行的要求,而到了90年代末,Windows平台的图形工作站也可以运行CATIA V5了。于是,大量的企业开始使用CATIA这样的三维设计系统,不仅航空工业,汽车、家电、电子、通用机电设备等行业也开始大范围使用三维设计软件。

  此后,CATIA三维设计软件的功能和图形工作站、专业显卡的性能交互上升,Quadro FX这样的专业显卡开始成为了CATIA用户的最佳选择。从CATIA V5诞生到CATIA V5R19发布,将近十年的时间里,CATIA的功能范畴增加了将近8倍!而Quadro FX专业显卡也从NVIDIA第一代专业GPU发展到了现在的第十代产品,综合性能提高将近15倍,并发展出CUDA、SLI、nVIEW等大量新功能。

  2. CATIA三维CAD/CAM软件对图形硬件的需求

  作为专业大型三维图形应用程序,功能强大的CAITA软件对图形硬件平台的要求也非常苛刻,这些要求其实也代表了航空工业用户的需求。

  首先,作为工业级软件产品,CAITA软件要求图形平台具备工业级的稳定性。在工业应用中,稳定压倒一切,甚于性能。CATIA和对应的专业图形硬件是作为“工业设备、生产工具”进入企业的,而不仅仅是计算机软硬件那么简单。为此,图形硬件必须保证100%的支持CATIA 100%的图形功能,不存在任何兼容性问题,不存在任何影响系统稳定性的问题。为此,Quadro FX专业显卡必须在发布之前,通过CATIA软件提供商达索系统公司的认证测试。达索系统的工程师和NVIDIA的工程师需要配合工作,在各种Quadro FX平台上(安装了Quadro FX专业显卡的各品牌工作站)反复运行CATIA软件的全部功能,解决发现的所有问题。这就是Quadro FX专业显卡的ISV认证。ISV认证首先解决的是稳定性问题,而未通过ISV认证的非专业显卡在稳定性问题上无法保证。

波音公司使用CATIA设计的飞机产品
图4 波音公司使用CATIA设计的飞机产品,大型产品的数字化设计需要极端的稳定性

  其次,性能满足CATIA运行的要求。用户会使用CATIA进行各种零部件乃至装配体的设计工作,设计规模的跨度非常大。但是,按照“木桶原理”,在企业中运行CATIA的图形硬件必须具备支持企业主流、大规模设计任务的性能。为此,在航空、航天等工业企业,中高端、超高端的Quadro FX专业显卡是主流的图形硬件,入门级的产品很少有用武之地。Quadro FX专业显卡还针对CATIA这样的专业三维软件进行了相应的优化,用户可以在驱动程序里进行优化调整,以便获得更好的性能表现。

  再次,图形硬件需要支持CATIA等三维软件的功能性特效。什么是功能性特效呢·三维软件不仅仅用于产品的详细功能设计,还用于造型设计、外观设计和工艺规划等环节,于是CATIA这样的软件提供了创成式造型、高级曲面和高级渲染等功能模块。这些模块对模型质量、模型真实感的要求都非常高,需要图形硬件完整支持OpenGL API,并具备足够的实时图形渲染性能,才能使用户看到特殊的图形效果,获得最佳的功能体验。如果图形硬件不能达到这些要求,尽管不影响运行性能和稳定性,但会明显影响用户的功能体验。在这方面,Quadro FX专业显卡支持完整的OpenGL API,通过了全功能的ISV认证测试,可以完美地实现CATIA软件的所有功能性特效,而非专业显卡在这个环节均要落马不敌。

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责任编辑:熊东旭