解析复杂产品的仿真数据管理研究

1导语

复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目管理复杂的一类产品 如飞机、汽车、船舶、机载武器系统等。随着数字化技术的发展、计算机能力的提高和理论计算方法的不断改进，产品数字化仿真技术的应用得到了快速发展，有效缩短了复杂产品的研发周期，提高了产品研制质量．降低了产品研制成本。

目前，很多大型企业已经实施了PDM系统．PDM在产品结构管理和图文档管理方面发挥了重要作用，但由于仿真数据的特殊性．传统的PDM系统无法对复杂产品的仿真数据进行全面、系统的管理。在国外许多先进的军工企业和汽车企业在开展产品数据管理平台应用的基础上，通过构建仿真数据管理平台实现了对仿真数据和仿真过程的高效管理，提高了仿真的效率和质量。在国内，随着仿真技术的深入应用．i艮多高校、企业和CAE软件公司也已经开始对仿真数据管理进行积极研究和探索。其中航天二院、清华大学、北京航空航天大学联合开发的基于HIA 的多学科协同仿真平台CoSim系统可以实现部分仿真数据的管理功能，由于国内在仿真数据管理研究方面起步较晚，建立仿真数据管理平台来实现对CAE数据的有效管理仍然是企业信息化面临的重大挑战。

2仿真数据管理平台

2．1 仿真数据管理的应用分析

仿真数据同产品设计数据相比，具有数据量大、数据类型多样等特点。在复杂产品的设计过程中，通常需要对其进行性能、结构强度、刚度、运动学、动力学、电磁、控制等多种类型的仿真分析，同时会产生大量的、形式各异的数据和模型，如几何模型、网格模型、载荷工况、边界条件、计算结果、仿真报告等。工程分析人员也会因采用不同的仿真软件工具产生不同格式的数据．主要数据文件类型包括文本文件、图形文件、动画文件、二维图纸、三维模型、标准数据格式、求解文件、结果文件、求解过程信息文件和报告文件等。目前，很多企业只是通过PDM系统实现了对仿真结果的管理．而对于仿真过程及其海量仿真文件和数据还缺乏有效的组织和管理，通过构建仿真数据管理平台，可以实现企业仿真数据的统一管理，保证数据的安全性和一致性，提高仿真分析知识的复用．并通过与仿真工具的集成，规范仿真分析过程。

2.2仿真数据管理平台的功能

任何仿真分析都是基于一系列仿真模型的运行来实现的。在复杂产品的研制过程中，大量的工程分析人员，建立了具有不同类别、不同精度的各级各类模型．同时也积累了各个仿真领域大量的参考规范数据。针对复杂产品构建的仿真数据管理平台应该具有以下功能：

（1）仿真数据管理：能够对仿真过程中产生的各种格式、各种类型的数据进行统一的组织、存储、编辑和查询。能够管理仿真模型之间的装配关系，实现仿真数据的谱系追踪。

（2）仿真模型封装和管理：提供与多种CAE工具软件的模型接口，实现对复杂产品中不同部件、不同专业、不同精度的仿真模型的封装，同时将仿真的规范和标准融入到封装的模型中，并实现相关仿真模型之间的关联，CAE软件工具生成的模型通过模型接口可以直接导入到仿真数据管理平台相应的模型库中，进行统一的管理和控制。

（3）仿真流程管理：通过仿真流程可以将仿真过程、仿真数据、仿真经验和规范以及仿真人员集成在一起，实现整个过程的协同、标准化和规范化及部分仿真过程的自动化。仿真流程中包括数据流和控制流．仿真数据管理平台应提供灵活、直观的仿真流程数据流和控制流的定制方式．并能够对仿真流程进行监控。

（4）数据处理：仿真分析输出大量的结果数据．工程技术人员若直接对其处理 会比较困难且效率低下。通过对仿真数据的整理和处理，能够实现不同数据格式的可视化，特别是CAE三维模型的可视化。能够按照用户需求生成仿真分析和比较报告。可以实现对仿真结果和报告的查看，仿真数据查看的显示方式包括动画、表格、曲线、图表和报告。

2．3 仿真数据管理平台的体系结构


图1 仿真数据管理平台的体系结构

在对仿真数据管理平台功能分析的基础上．本文提出了基于B／S架构的仿真数据管理平台的体系结构（如上图1所示）。使用人员f仿真分析工程师、设计工程师、决策人员1通过集成应用客户端可选择仿真流程开展相关的工作，其中仿真分析人员和设计人员还可以在工作的客户端启动应用程序．交互地完成分析和设计工作。应用人员可以对整个仿真流程进行监控．在仿真管理平台中所完成的各项工作的中间结果和最终结果可以自动化地保存到仿真数据管理平台中。

3仿真数据管理的关键技术

3．1 仿真流程的控制和管理

仿真流程规定了和仿真任务相关的具体过程、人员、数据和工具，图2为产品数字化仿真的一般流程。仿真流程既包括具体软件工具内部的向导式分析流程f如导入几何模型。建立CAE模型、设定载荷和边界条件、启动求解器进行分析、生成报告等)，也含有不同人员之间的协同仿真。仿真流程需要将流程中的每个节点与该节点的]_具f模块)、数据进行关联和交互．并能实现数据在流程中的自动流转。


图2 产品数字化仿真的一般流程

3．2 模型封装和管理

复杂产品的仿真过程中会产生的不同类型、不同精度的模型。如何对这些模型进行统一定义、分类、组织和管理，建立相关模型的关联关系，实现仿真模型的分析和重用，是构建仿真数据管理平台的关键技术之一。

模型封装一般采用面向对象的技术 通过模型封装技术 可以将大量结构化的仿真模型的输人和输出定义为对象的属性．将对模型的操作定义为方法，同时还可以将仿真的规范和标准融人到封装的模型中。并通过相关模型的关联关系来构建关联模型。

模型封装一般是通过工具集成接口来实现，工具集成一般包括用户界面集成、API集成和数据集成。其中，API集成是指通过数据封装和行为重用为用户和其他工具提供API，使其数据能被访问。数据集成是指维护数据源整体上数据一致性。数据在各个被集成的工具中实现共享和自动调用，提高信息共享的效率。目前彳艮多数据管理系统能够实现与特定设计仿真工具的细粒度的API集成，但由于仿真工具本身的开放性和兼容性，想通过一种平台实现和企业所有CAE工具软件的深度集成难度较大。

3．3 仿真结果数据可视化

仿真结果数据可视化是指对某个或某几个数据以图形图表的方式显示出来，并可以对这些数据进行相关的操作和处理。仿真结果数据可视化为工程技术人员对模型的改进和优化提供依据。目前，各种CAE模型的统一可视化实现较为困难．可以将CAE模型转化为某种特定的数据格式(如JT格式) 然后再通过可视化工具进行模型的浏览和查看，前提是需要CAE模型支持这种数据格式。

3．4 多学科协同仿真和综合优化

为了对产品性能进行完整、准确地仿真，除了需要单领域仿真外，还必须进行多个领域的协同仿真和综合优化，从而在产品设计阶段就可以对产品行为进行全面的评估和分析，并使产品的优化设计成为可能。多学科综合优化作为仿真过程的一个优化环节。需要实现仿真数据管理平台与多学科优化工具的集成。

此外，随着仿真系统规模增大，模拟精度增高，复杂性增强，相应的对计算能力需求也越来越高，单处理器的运算能力已经不能满足大规模仿真数值模拟的需要．需要在仿真系统中应用高性能的并行仿真计算平台。构建仿真数据管理系统需要考虑和集群作业管理系统的集成．其中。PBS、LSF是当今颇具代表性和影响力的几种集群作业管理系统。

4仿真数据管理平台的解决方案

从目前技术发展和考察的情况看，仿真数据管理平台的构建有两种技术途径：

（1）采用PDM系统实现仿真数据的管理。传统的产品数据管理系统主要用于有效仿真模型和结果的管理．对仿真过程及中间结果、模型不做控制。仿真模型及结果打包成文件包放在PDM系统来管理。但随着PDM产品的功能逐步扩展和完善，目前部分PDM产品已具有仿真数据管理的功能。

（2）结合分析数据量大、文件类型复杂、多工况和多学科分析的特点，开发专业的仿真数据管理软件，并且能够与PDM集成在一起。对仿真过程的业务协同、有效模型及中问数据和结果进行管理，最终有效的分析结果报告返回PDM系统管理。

针对前一种方案。Siemens PLM Software公司的Teamcenter2007已具有仿真数据管理功能。但对于仿真_T 具的集成、仿真过程数据的管理、重用等能力明显不够。第二种方案目前比较成熟的仿真数据管理平台有MSC公司的SimManager和Ahair公司的Ahair Data Manager,但需要考虑和企业已有数据管理系统的集成。另外也可根据企业的具体应用需求．采用先进的技术框架和成熟的开发技术自行开发仿真数据管理平台。

在某演示项目中，探索了SimManager和Teamcenter 2007相结合来实现仿真数据管理的T作模式。其中，SimManager实现对仿真流程和过程数据的管理．而仿真的结果数据采用Teamcenter 2007来管理。在SimManager中，数据对象用Schema来定义，XML语言来描述 主要通过AE(应用封装)完成对应用程序的调用和对数据对象的操作，用户可以通过脚本的方式自定义AE，然后以AE作为流程节点构建仿真流程，见下图3。


图3 SimManager中的仿真流程图和数据对象

仿真的最终结果采用Teamcenter 2007来管理。通过在SimManager系统中开发与Teamcenter 2007接口，将SimManager中的仿真结果数据直接发送到Teamcenter 2007系统中，建立仿真数据与设计数据之间的关联。图4为基于Teamcenter 2007的仿真结果数据管理。


图4 基于Teamcenter 2007的仿真结果数据管理

5结论

如今，数字化仿真技术已经应用于产品全生命周期的各阶段，并取得了显著的效果．很多企业越来越认识到仿真数据管理的重要性和必要性。但构建企业级的仿真数据管理平台仍面临着许多挑战。首先。目前市场上的商用仿真数据管理软件都还处于发展和完善阶段，并且仿真数据管理平台和PDM系统一样．需要大量的二次开发和实施工作：其次。需要企业进行仿真数据、经验知识的积累，并使仿真应用规范化、标准化；再次。仿真工具的开放性和易集成性对仿真数据管理平台的构建也有至关重要的影响。