解析復(fù)雜產(chǎn)品的仿真數(shù)據(jù)管理研究

1導(dǎo)語

復(fù)雜產(chǎn)品是指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜、項目管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品 如飛機、汽車、船舶、機載武器系統(tǒng)等。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展、計算機能力的提高和理論計算方法的不斷改進，產(chǎn)品數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，有效縮短了復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品研制質(zhì)量．降低了產(chǎn)品研制成本。

目前，很多大型企業(yè)已經(jīng)實施了PDM系統(tǒng)．PDM在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理和圖文檔管理方面發(fā)揮了重要作用，但由于仿真數(shù)據(jù)的特殊性．傳統(tǒng)的PDM系統(tǒng)無法對復(fù)雜產(chǎn)品的仿真數(shù)據(jù)進行全面、系統(tǒng)的管理。在國外許多先進的軍工企業(yè)和汽車企業(yè)在開展產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建仿真數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)了對仿真數(shù)據(jù)和仿真過程的高效管理，提高了仿真的效率和質(zhì)量。在國內(nèi)，隨著仿真技術(shù)的深入應(yīng)用．i艮多高校、企業(yè)和CAE軟件公司也已經(jīng)開始對仿真數(shù)據(jù)管理進行積極研究和探索。其中航天二院、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的基于HIA 的多學(xué)科協(xié)同仿真平臺CoSim系統(tǒng)可以實現(xiàn)部分仿真數(shù)據(jù)的管理功能，由于國內(nèi)在仿真數(shù)據(jù)管理研究方面起步較晚，建立仿真數(shù)據(jù)管理平臺來實現(xiàn)對CAE數(shù)據(jù)的有效管理仍然是企業(yè)信息化面臨的重大挑戰(zhàn)。

2仿真數(shù)據(jù)管理平臺

2．1 仿真數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用分析

仿真數(shù)據(jù)同產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)相比，具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣等特點。在復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計過程中，通常需要對其進行性能、結(jié)構(gòu)強度、剛度、運動學(xué)、動力學(xué)、電磁、控制等多種類型的仿真分析，同時會產(chǎn)生大量的、形式各異的數(shù)據(jù)和模型，如幾何模型、網(wǎng)格模型、載荷工況、邊界條件、計算結(jié)果、仿真報告等。工程分析人員也會因采用不同的仿真軟件工具產(chǎn)生不同格式的數(shù)據(jù)．主要數(shù)據(jù)文件類型包括文本文件、圖形文件、動畫文件、二維圖紙、三維模型、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式、求解文件、結(jié)果文件、求解過程信息文件和報告文件等。目前，很多企業(yè)只是通過PDM系統(tǒng)實現(xiàn)了對仿真結(jié)果的管理．而對于仿真過程及其海量仿真文件和數(shù)據(jù)還缺乏有效的組織和管理，通過構(gòu)建仿真數(shù)據(jù)管理平臺，可以實現(xiàn)企業(yè)仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，保證數(shù)據(jù)的安全性和一致性，提高仿真分析知識的復(fù)用．并通過與仿真工具的集成，規(guī)范仿真分析過程。

2.2仿真數(shù)據(jù)管理平臺的功能

任何仿真分析都是基于一系列仿真模型的運行來實現(xiàn)的。在復(fù)雜產(chǎn)品的研制過程中，大量的工程分析人員，建立了具有不同類別、不同精度的各級各類模型．同時也積累了各個仿真領(lǐng)域大量的參考規(guī)范數(shù)據(jù)。針對復(fù)雜產(chǎn)品構(gòu)建的仿真數(shù)據(jù)管理平臺應(yīng)該具有以下功能：

（1）仿真數(shù)據(jù)管理：能夠?qū)Ψ抡孢^程中產(chǎn)生的各種格式、各種類型的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的組織、存儲、編輯和查詢。能夠管理仿真模型之間的裝配關(guān)系，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的譜系追蹤。

（2）仿真模型封裝和管理：提供與多種CAE工具軟件的模型接口，實現(xiàn)對復(fù)雜產(chǎn)品中不同部件、不同專業(yè)、不同精度的仿真模型的封裝，同時將仿真的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)融入到封裝的模型中，并實現(xiàn)相關(guān)仿真模型之間的關(guān)聯(lián)，CAE軟件工具生成的模型通過模型接口可以直接導(dǎo)入到仿真數(shù)據(jù)管理平臺相應(yīng)的模型庫中，進行統(tǒng)一的管理和控制。

（3）仿真流程管理：通過仿真流程可以將仿真過程、仿真數(shù)據(jù)、仿真經(jīng)驗和規(guī)范以及仿真人員集成在一起，實現(xiàn)整個過程的協(xié)同、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化及部分仿真過程的自動化。仿真流程中包括數(shù)據(jù)流和控制流．仿真數(shù)據(jù)管理平臺應(yīng)提供靈活、直觀的仿真流程數(shù)據(jù)流和控制流的定制方式．并能夠?qū)Ψ抡媪鞒踢M行監(jiān)控。

（4）數(shù)據(jù)處理：仿真分析輸出大量的結(jié)果數(shù)據(jù)．工程技術(shù)人員若直接對其處理 會比較困難且效率低下。通過對仿真數(shù)據(jù)的整理和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的可視化，特別是CAE三維模型的可視化。能夠按照用戶需求生成仿真分析和比較報告?？梢詫崿F(xiàn)對仿真結(jié)果和報告的查看，仿真數(shù)據(jù)查看的顯示方式包括動畫、表格、曲線、圖表和報告。

2．3 仿真數(shù)據(jù)管理平臺的體系結(jié)構(gòu)


圖1 仿真數(shù)據(jù)管理平臺的體系結(jié)構(gòu)

在對仿真數(shù)據(jù)管理平臺功能分析的基礎(chǔ)上．本文提出了基于B／S架構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)管理平臺的體系結(jié)構(gòu)（如上圖1所示）。使用人員f仿真分析工程師、設(shè)計工程師、決策人員1通過集成應(yīng)用客戶端可選擇仿真流程開展相關(guān)的工作，其中仿真分析人員和設(shè)計人員還可以在工作的客戶端啟動應(yīng)用程序．交互地完成分析和設(shè)計工作。應(yīng)用人員可以對整個仿真流程進行監(jiān)控．在仿真管理平臺中所完成的各項工作的中間結(jié)果和最終結(jié)果可以自動化地保存到仿真數(shù)據(jù)管理平臺中。

3仿真數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)

3．1 仿真流程的控制和管理

仿真流程規(guī)定了和仿真任務(wù)相關(guān)的具體過程、人員、數(shù)據(jù)和工具，圖2為產(chǎn)品數(shù)字化仿真的一般流程。仿真流程既包括具體軟件工具內(nèi)部的向?qū)椒治隽鞒蘤如導(dǎo)入幾何模型。建立CAE模型、設(shè)定載荷和邊界條件、啟動求解器進行分析、生成報告等)，也含有不同人員之間的協(xié)同仿真。仿真流程需要將流程中的每個節(jié)點與該節(jié)點的]_具f模塊)、數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)和交互．并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)在流程中的自動流轉(zhuǎn)。


圖2 產(chǎn)品數(shù)字化仿真的一般流程

3．2 模型封裝和管理

復(fù)雜產(chǎn)品的仿真過程中會產(chǎn)生的不同類型、不同精度的模型。如何對這些模型進行統(tǒng)一定義、分類、組織和管理，建立相關(guān)模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)仿真模型的分析和重用，是構(gòu)建仿真數(shù)據(jù)管理平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

模型封裝一般采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù) 通過模型封裝技術(shù) 可以將大量結(jié)構(gòu)化的仿真模型的輸人和輸出定義為對象的屬性．將對模型的操作定義為方法，同時還可以將仿真的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)融人到封裝的模型中。并通過相關(guān)模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系來構(gòu)建關(guān)聯(lián)模型。

模型封裝一般是通過工具集成接口來實現(xiàn)，工具集成一般包括用戶界面集成、API集成和數(shù)據(jù)集成。其中，API集成是指通過數(shù)據(jù)封裝和行為重用為用戶和其他工具提供API，使其數(shù)據(jù)能被訪問。數(shù)據(jù)集成是指維護數(shù)據(jù)源整體上數(shù)據(jù)一致性。數(shù)據(jù)在各個被集成的工具中實現(xiàn)共享和自動調(diào)用，提高信息共享的效率。目前彳艮多數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與特定設(shè)計仿真工具的細粒度的API集成，但由于仿真工具本身的開放性和兼容性，想通過一種平臺實現(xiàn)和企業(yè)所有CAE工具軟件的深度集成難度較大。

3．3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)可視化

仿真結(jié)果數(shù)據(jù)可視化是指對某個或某幾個數(shù)據(jù)以圖形圖表的方式顯示出來，并可以對這些數(shù)據(jù)進行相關(guān)的操作和處理。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)可視化為工程技術(shù)人員對模型的改進和優(yōu)化提供依據(jù)。目前，各種CAE模型的統(tǒng)一可視化實現(xiàn)較為困難．可以將CAE模型轉(zhuǎn)化為某種特定的數(shù)據(jù)格式(如JT格式) 然后再通過可視化工具進行模型的瀏覽和查看，前提是需要CAE模型支持這種數(shù)據(jù)格式。

3．4 多學(xué)科協(xié)同仿真和綜合優(yōu)化

為了對產(chǎn)品性能進行完整、準(zhǔn)確地仿真，除了需要單領(lǐng)域仿真外，還必須進行多個領(lǐng)域的協(xié)同仿真和綜合優(yōu)化，從而在產(chǎn)品設(shè)計階段就可以對產(chǎn)品行為進行全面的評估和分析，并使產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計成為可能。多學(xué)科綜合優(yōu)化作為仿真過程的一個優(yōu)化環(huán)節(jié)。需要實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)管理平臺與多學(xué)科優(yōu)化工具的集成。

此外，隨著仿真系統(tǒng)規(guī)模增大，模擬精度增高，復(fù)雜性增強，相應(yīng)的對計算能力需求也越來越高，單處理器的運算能力已經(jīng)不能滿足大規(guī)模仿真數(shù)值模擬的需要．需要在仿真系統(tǒng)中應(yīng)用高性能的并行仿真計算平臺。構(gòu)建仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)需要考慮和集群作業(yè)管理系統(tǒng)的集成．其中。PBS、LSF是當(dāng)今頗具代表性和影響力的幾種集群作業(yè)管理系統(tǒng)。

4仿真數(shù)據(jù)管理平臺的解決方案

從目前技術(shù)發(fā)展和考察的情況看，仿真數(shù)據(jù)管理平臺的構(gòu)建有兩種技術(shù)途徑：

（1）采用PDM系統(tǒng)實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的管理。傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要用于有效仿真模型和結(jié)果的管理．對仿真過程及中間結(jié)果、模型不做控制。仿真模型及結(jié)果打包成文件包放在PDM系統(tǒng)來管理。但隨著PDM產(chǎn)品的功能逐步擴展和完善，目前部分PDM產(chǎn)品已具有仿真數(shù)據(jù)管理的功能。

（2）結(jié)合分析數(shù)據(jù)量大、文件類型復(fù)雜、多工況和多學(xué)科分析的特點，開發(fā)專業(yè)的仿真數(shù)據(jù)管理軟件，并且能夠與PDM集成在一起。對仿真過程的業(yè)務(wù)協(xié)同、有效模型及中問數(shù)據(jù)和結(jié)果進行管理，最終有效的分析結(jié)果報告返回PDM系統(tǒng)管理。

針對前一種方案。Siemens PLM Software公司的Teamcenter2007已具有仿真數(shù)據(jù)管理功能。但對于仿真_T 具的集成、仿真過程數(shù)據(jù)的管理、重用等能力明顯不夠。第二種方案目前比較成熟的仿真數(shù)據(jù)管理平臺有MSC公司的SimManager和Ahair公司的Ahair Data Manager,但需要考慮和企業(yè)已有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成。另外也可根據(jù)企業(yè)的具體應(yīng)用需求．采用先進的技術(shù)框架和成熟的開發(fā)技術(shù)自行開發(fā)仿真數(shù)據(jù)管理平臺。

在某演示項目中，探索了SimManager和Teamcenter 2007相結(jié)合來實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)管理的T作模式。其中，SimManager實現(xiàn)對仿真流程和過程數(shù)據(jù)的管理．而仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)采用Teamcenter 2007來管理。在SimManager中，數(shù)據(jù)對象用Schema來定義，XML語言來描述 主要通過AE(應(yīng)用封裝)完成對應(yīng)用程序的調(diào)用和對數(shù)據(jù)對象的操作，用戶可以通過腳本的方式自定義AE，然后以AE作為流程節(jié)點構(gòu)建仿真流程，見下圖3。


圖3 SimManager中的仿真流程圖和數(shù)據(jù)對象

仿真的最終結(jié)果采用Teamcenter 2007來管理。通過在SimManager系統(tǒng)中開發(fā)與Teamcenter 2007接口，將SimManager中的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)直接發(fā)送到Teamcenter 2007系統(tǒng)中，建立仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。圖4為基于Teamcenter 2007的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)管理。


圖4 基于Teamcenter 2007的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)管理

5結(jié)論

如今，數(shù)字化仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)品全生命周期的各階段，并取得了顯著的效果．很多企業(yè)越來越認識到仿真數(shù)據(jù)管理的重要性和必要性。但構(gòu)建企業(yè)級的仿真數(shù)據(jù)管理平臺仍面臨著許多挑戰(zhàn)。首先。目前市場上的商用仿真數(shù)據(jù)管理軟件都還處于發(fā)展和完善階段，并且仿真數(shù)據(jù)管理平臺和PDM系統(tǒng)一樣．需要大量的二次開發(fā)和實施工作：其次。需要企業(yè)進行仿真數(shù)據(jù)、經(jīng)驗知識的積累，并使仿真應(yīng)用規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；再次。仿真工具的開放性和易集成性對仿真數(shù)據(jù)管理平臺的構(gòu)建也有至關(guān)重要的影響。