复杂零件、大型装配体的设计和有限元仿真分析对

于任何三维设计软件来说都是一个艰巨的挑战,操作与计算的延迟通常让人无法忍受.
要解决这些问题,除了改善设计流程和设计方法外,企业需要从根本上提升计算机硬件的性能.
但是很多企业的信息中心和设计部门并不了解SolidWorks对计算机硬件和操作系统的需求,也不清楚SolidWorks不同模块对计算机硬件需求的区别,经常出现花大价钱购买的计算机/图形工作站却无法有效利用的问题.
本文详细讲解各种硬件和操作系统对SolidWorks性能的影响,为相关企业选购计算机提供参考.
一、计算机软硬件的选择为了使三维软件顺畅运行,需要配备与设计、计算规模相当的计算机硬件,相关硬件对SolidWorks性能的影响由大到小排序如下:内存、CPU、显卡、硬盘和显示器,下面分别阐述.
1.
内存对于复杂零部件和有限元分析而言,三维软件对内存的需求很大,一旦物理内存不足,系统将自动启用虚拟内存.
由于虚拟内存位于硬盘上,所以运算效率会大大降低,并且出错率大大增加.
以HPZ400工作站进行某次有限元分析为例,当物理内存耗尽,系统启动虚拟内存前后,监控到的数据读写的硬错误率由0次/秒激增到最大900次/秒,这不仅大大降低分析的效率,也为结果的可靠性带来隐患.
(1)三维结构设计对内存的需求.
具体的需求跟企业的产品复杂度和设计方法有关,例如采用自下而上(Bottom-Up)设计方法,对内存的需求如下.
4G:单一零件特征1000个,单一装配体包含零件数>10000个.
(2)有限元分析对内存的需求.
尽管对于SolidWorksSimulation入门级分析而言,4G内存也能满足需求,但是对于大自由度的复杂问题,划分网格、求解和结果显示都需要更多的内存.
例如,使用直接解算器(DirectSparsesolver)求解20万自由度SOLIDWORKS软硬件配置建议的静态算例,最多时需要1G内存.
对于64位操作系统而言,4G内存的最大极限是求解800万自由度的算例(采用FFEPLUS结算器).
大家可以用以下方法估算求解时内存的需求量:直接解算器,每200个自由度需要1M内存;FFEPLUS结算器,每2000个自由度需要1M内存,具体需求的数量根据分析类型的不同会略有不同.
有限元为主要任务的计算机推荐标准配置12G或24G内存.
当文档在SolidWorks中打开时,其数据就会被加载到内存当中,你需要足够的内存避免SolidWorks去使用物理硬盘(虚拟内存),内存的速率是以MHz为单位的,对于SolidWorks使用来说内存的容量是越大越好的,主要选择因素是根据预算来选择,一般来说速度越高越新的内存价格会越高.
目前来说购买8-16G大小的内存是性价比最高的选择.
如果是使用SolidWorks进行大规模分析计算或者是渲染计算,我们建议同时使用ECC.
SolidWorks推荐:使用最小8G的DDR3或者DDR4内存.
2.
CPU三维结构设计和有限元分析对CPU的需求都比较高,CPU的主要参数是主频和核心数量,对于SolidWorks来说,主频的重要性要高于内核的数量.
(1)三维结构设计对CPU的需求.
目前,SolidWorks三维结构设计的主模块并不能完全利用双核及以上的CPU,仅能完全利用其中一个内核.
因此,以三维结构设计为主选配的CPU时,优先选择高主频的双核四线程CPU.
如图1所示三维结构设计能有效利用25%的CPU资源.
如果购买配置支持双CPU,每个CPU具备8个线程的HPZ800工作站进行三维结构设计,您只能利用6.
25%的CPU资源,那将造成资金的极大浪费.
SolidWorks的渲染和PDM模块可以有效的利用多核CPU,例如:选择四核CPU,SolidWorks的渲染模块(PhotoView360)可以同时启用4个内核并行运算,充分利用CPU对渲染进行加速,渲染效率比同主频单核CPU提升近4倍,如图2所示.
三维结构设计为主要任务的计算机推荐标准配置主频3.
0以上、双核四线程的CPU.
图1三维建模CPU利用率截图图2PhotoView360CPU利用率截图三维结构设计为主要任务的计算机推荐标准配置主频3.
0以上、双核四线程的CPU.
(2)有限元分析对CPU的需求.
有限元分析数据计算的需求十分巨大,对CPU的要求也很高,对于SolidWorksSimulation模块而言,分析的种类和求解器不同,对CPU的利用率也不同,总体而言,选择CPU的准则还是主频优于内核数量.
从SolidWorks2011开始,有限元分析的网格划分器也能有效的支持多核CPU,对于单实体零件的网格划分而言,多核利用率不高,对于多实体零件和大型装配体的网格划分,多核的利用率相对较高一些.
SolidWorksFlowSimulation可以更加高效地利用多CPU或者多计算机并行计算,建议在保证主频的情况下,增加CPU内核数量.
结构分析、运动分析为主要任务的计算机推荐标准配置主频3.
0以上、双核四线程的CPU.
流体分析为主要任务的计算机推荐标准配置主频3.
0以上、四内核以上CPU或双CPU.
I5/I7VSXeon—志强处理器(Xeon)其主要的优势在于对于错误纠正代码缓存的支持(ECC),此功能可以纠正一些随机的硬件错误并且某些超过6核心CPU在处理分析任务及处理大规模问题时可以得到更好性能.
SolidWorks推荐:使用高频率的4核I5/I7CPU或者是同等级的志强处理器(Xeon)3.
显卡显卡的性能直接影响SolidWorks旋转、移动和缩放等显示操作,如果显卡性能不能满足需求的话,SolidWorks的部分功能将不可用,软件的操作性体验也会下降.
有限元分析前处理对显卡的需求相对较低一些,但是分析结果的后处理(如显示网格、应力云图和探测器等功能)对显卡要求相对比较高.
建议选择通过SolidWorks认证的专业显卡.
显卡的种类可大致分为:集成显卡、独立家用显卡和专业绘图显卡,下面分别介绍它们的性能.
(1)集成显卡.
集成显卡集成在主板上,没有专用的显存,需要在系统物理内存上划分出一部分作为显存使用,所以运算效率很低.
集成显卡不支持OpenGL运算,3D性能很差.
对于采用集成显卡的计算机,SolidWorks会自动启动"软件OpenGL",所有OpenGL运算将由CPU完成,加重了CPU负担.
SolidWorks的放大镜、SpeedPak和RealView等功能将不能使用,并且软件容易出现显示问题或者崩溃的情况.
(2)独立家用显卡.
独立家用显卡有独立的显存,游戏性能较好,但是仅支持部分OpenGL指令,复杂OpenGL运算指令还是需要由CPU完成.
独立家用显卡不支持RealView功能,部分支持SpeedPak功能.
如果简单的三维结构设计(装配体零件数SAS硬盘>SATA硬盘>IDE硬盘,由于SCSI硬盘主要应用于企业级服务器,所以,对于工作站而言,优先选用1万转以上的SAS硬盘.
如果条件允许的情况下,采用RAID0以并联磁盘阵列方式来提高硬盘的读/写效率.
RAID0代表了所有RAID级别中最高的存储性能.
RAID0提高存储性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上并行存取.
这样,系统有数据请求就可以被多个磁盘并行的执行,每个磁盘执行属于它自己的那部分数据请求.
这种数据上的并行操作可以充分利用总线的带宽,显著提高磁盘整体存取性能.
例如,n块硬盘以并联方式组成RAID0磁盘阵列,磁盘的读/写速度可以提高n倍.
需要注意的是:RAID0磁盘阵列数据损坏的概率随硬盘数量而倍增,所以仅用于对性能需求高于数据安全性要求的图形工作站,不能应用于存储备份数据为主的服务器.
固态硬盘作为新兴的存储介质,这几年发展十分迅猛,读取速度和容量提升的同时,技术也越来越成熟,它具有存取速度快的特点,但是价格较为昂贵.
建议客户搭配机械硬盘使用,一块固态硬盘分成两个分区,一个分区用于系统分区,一个分区用于存放准备分析计算的临时数据,机械硬盘用于存放计算完成后的数据备份.
在预算可以的情况下我们推荐至少在系统和SolidWorks主程序位置使用固态硬盘,这样可以使SolidWorks的运行能行至少提高25-30%SolidWorks推荐:1个高速的固态硬盘安装系统和SolidWorks程序+一个传统的7200转的机械硬盘作为存储.
5.
操作系统从SolidWorks2015开始,SolidWorks只支持64位操作系统了,我们现在建议使用Windows10专业版本或者企业版本.
虽然现在Windows7还是支持的,但是微软会在2020年结束对Windows7的支持,所以很有可能SolidWorks也会在2020年停止对于Windows7系统的支持.
虽然现在SolidWorks没有明确表明会取消对Windows7的支持,但是我们希望我们可以和微软保持相同的时间线.
我们不建议使用Windows8.
1系统,SolidWorks2018是最后一个支持Windows8.
1的SolidWorks版本.
SolidWorks推荐:Windows10专业版或者企业版(64Bit)6.
显示器显示器并不影响三维机构设计和有限元分析的速度,但是对操作者的体验影响比较大.
对于机械类三维设计和有限元分析为主要任务的计算机而言,显示器越大越好,其他的性能指数要求并不高(有渲染和动画需求的除外).
如果购买一个新的显示器,我们建议选择分辨率为1920x1080,最小尺寸为21.
5寸的显示器.
请注意如果分辨率超过1920x1080(比如4K显示屏)会在SolidWorks2018中得到更好的显示支持,同时如果使用更高分辨率的显示后我们不建议使用小于27寸的大小.
对于笔记本来说我们建议使用15.
6-17.
3寸分辨率为1920x1080的规格.
低分辨率意味着更少的绘图区域空间和界面.
对于笔记本来说我们不建议使用4K显示屏,对于15-17寸的屏幕来说,1920x1080是最合适的显示分辨率,可以得到最合适的界面及工具按键大小.
7.
计算机硬件瓶颈的判断用户可以使用以下方法分析系统瓶颈,有针对性地升级计算机系统.
(1)在SolidWorks使用过程中启动Windows任务管理器,在性能页,如果CPU的占用率经常在100%,那么系统瓶颈就在CPU或显卡,建议升级CPU或显卡;如果系统物理内存大部分被占用,虚拟内存使用量又很大,操作过程中硬盘灯频繁闪烁,这说明系统瓶颈在内存,建议扩大内存.
(2)使用SolidWorksRX(性能诊断)工具测试您的计算机系统是否满足SolidWorks的需求,该工具得出更加详细的诊断结果和建议.
(3)使用SolidWorks工具→SolidWorks性能测试工具,对计算机性能进行测试.
通过对比不同计算机的测试结果,可以为选购计算机或硬件提供参考依据.
二、Dell工作站性能指数分析及对比推荐性能指数图示:如上图所示,图示图标数量越多则表示其这方面的性能越强,反之则相反.

我们会对现在一些主流配置的Dell工作站做性能指数推荐,以便可以根据实际的使用用途来挑选合适的硬件型号.
使用情形推荐配置及性能指标推荐型号SolidWorks用来处理不是非常复杂的装配体和零件CPU:Inteli5-75004核心3.
40GHz(Boost3.
8GHz)内存:16GB(2x8GB)2400MHzDDR4无ECC系统盘:256GBM.
2NVMe固态硬盘存储盘:1TB3.
5寸7200转机械硬盘显卡:2GBNVIDIAQuadroP1000系统:Win10专业版64Bit台式Dell入门级—DellPrecision3420SFF---小型工作站市场价:8000SolidWorks软件和一些基础的分析和渲染CPU:Inteli7-77004核心3.
60GHz(Boost4.
2GHz)内存:16GB(2x8GB)2400MHzDDR4无ECC系统盘:512GBM.
2NVMe固态硬盘存储盘:1TB3.
5寸7200转机械硬盘显卡:4GBNVIDIAQuadroP2000系统:Win10专业版64Bit台式Dell中端级—DellPrecision3620MT---在性能和价格之间平衡最佳的选择市场价:10000有大数据处理的情况,并且有强大的分析计算CPU:Inteli7-7700K4核心4.
2GHz(Boost4.
5GHz)内存:32GB(2x16GB)2400MHzDDR4ECC系统盘:512GBM.
2NVMe固态硬盘存储盘:1TB3.
5寸7200转机械硬盘显卡:8GBNVIDIAQuadroP4000系统:Win10专业版64Bit台式Dell高端级—DellPrecison3620MT市场价:15000应用仿真、渲染的情形——增加核心目前来说4核心的电脑是最好性价比的选择,只有当用户主要进行分析计算或者主要进行渲染更多的核心才会体现出作用.

当然在同时处理多个工程图进行工作时更多的核心也会有效果,但是对于SolidWorks来说大部分工作时间上,更高的CPU速度会比更多的核心得到更好的表现.
如果我们的工作包含分析计算、渲染和SolidWorks设计,那么6-8核心并且单核速度较快的CPU会有更高的适用性.
在渲染工作中核心的增加会体现出完全不同的表现,如果核心数量翻倍则所使用的时间可以减少近乎一半的提升.
在分析中比如SolidWorksSimulation和FlowSimulation中这种表现可能并没有如同渲染这么明显,但是其效能的提升还是非常明显的.