CAE協(xié)同仿真平臺建設介紹

現(xiàn)代中國制造業(yè)的發(fā)展主旋律是“以信息化帶動工業(yè)化,以工業(yè)化促進信息化”。產(chǎn)品研制過程的信息化瞄準“數(shù)字”和“協(xié)同”兩個目標。以日新月異的網(wǎng)絡技術和計算機技術為基礎,采用產(chǎn)品數(shù)字化虛擬研發(fā)技術,重組企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程,大力推行并行工程,組建產(chǎn)品研發(fā)和制造的網(wǎng)絡化虛擬環(huán)境。
    現(xiàn)代制造業(yè)信息化主旋律將仿真帶入了協(xié)同時代。企業(yè)間產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)的需求、仿真工作融入研發(fā)流程的呼吁,保存企業(yè)智力資產(chǎn)的渴求,都使我們無法不加快協(xié)同仿真技術發(fā)展的步伐。
    CAE 仿真技術通過開發(fā)吻合研發(fā)流程的協(xié)同仿真平臺,建立流暢的仿真通道,幫助企業(yè)打通從設計、仿真、試驗、制造的全數(shù)字化生產(chǎn)線。從而,企業(yè)可以非常方便地進行數(shù)字化工程的統(tǒng)籌規(guī)劃,并在CAE 上的所有投入物有所值,物盡其用。同時,在開發(fā)過程中,使企業(yè)的智力資產(chǎn)得到完美的融臺。
    傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制,都是以試驗的方式對設計方法和產(chǎn)品進行驗證,以確保產(chǎn)品的性能。往往試驗需要人為控制,對于環(huán)境、儀器、人員等條件要求非常高,需要資金、人員、設備等大量投入,有些大型試驗風險很難以預測,產(chǎn)品的研制周期長,研制成本高。CAE仿真技術的產(chǎn)生之后,可以通過CAE技術完成部分物理試驗無法完成的產(chǎn)品性能分析工作。但是仿真只是作為產(chǎn)品檢驗的手段,沒有真正成為產(chǎn)品設計的一個必要階段,只能在產(chǎn)品設計的后期,甚至產(chǎn)品試驗過程或使用階段發(fā)現(xiàn)問題之后才進行分析。仿真不能對產(chǎn)品設計起到指導性作用,沒有最大限度發(fā)揮自身價值。
    目前,隨著仿真技術的發(fā)展,仿真已經(jīng)融入產(chǎn)品的設計過程,成為產(chǎn)品設計的一部分。通過仿真不僅能在產(chǎn)品設計后期進行設計性能校核,同時在產(chǎn)品試驗前期通過虛擬仿真模擬實驗結果,指導產(chǎn)品物理試驗,并在產(chǎn)品試驗后期驗證物理試驗結果,保證了試驗準確度,大大降低了試驗的成本。但在企業(yè)產(chǎn)品研制仿真應用中期階段,虛擬仿真仍然只是作為產(chǎn)品檢驗的工具對產(chǎn)品性能進行評估或指導物理試驗,還不能完全取代物理樣機試驗。隨著仿真重要性不斷加強,仿真已經(jīng)被廣泛的應用于汽車、航空、航天等行業(yè)。這些行業(yè)的復雜產(chǎn)品仿真包括結構、流體、碰撞、振動噪聲、成型分析等,涉及到多個學科的不同領域?，F(xiàn)有的仿真工具可以有效輔助某個功能單元的設計任務,能夠解決大部分單學科的分析評估問題,卻很難處理涉及多學科交互的復雜仿真問題,無法利用某一種仿真工具完成對多個學科的仿真。傳統(tǒng)的做法是分別從單個學科的角度出發(fā)對復雜產(chǎn)品進行處理,將涉及其他學科的子系統(tǒng)加以簡化甚至完全忽略。但由于復雜產(chǎn)品是一個統(tǒng)一的整體,各學科子系統(tǒng)之間有著不同程度的約束和交互。如果只從某一個角度對其進行分析,忽略了學科之間的聯(lián)系,勢必將會造成系統(tǒng)整體性和相關性的丟失,降低仿真結果的可信度。所以需要對多個不同學科領域的子系統(tǒng)所組成的整體系統(tǒng)進行相應的仿真分析,即進行多個領域的協(xié)同仿真,從而在產(chǎn)品設計階段就可以對產(chǎn)品進行全面的評估和分析?；诜抡婕夹g在企業(yè)產(chǎn)品研制應用中的變革歷程以及仿真在多學科多領域的應用,仿真技術必將應用到產(chǎn)品研發(fā)設計中的各個階段,應用到更多的學科和領域當中。在仿真技術的不斷深化應下,數(shù)字化、協(xié)同化、知識化的協(xié)同仿真時代已經(jīng)到來。數(shù)字化、協(xié)同化、知識化的協(xié)同仿真平臺是仿真技術發(fā)展不可逆轉的趨勢?，F(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品研制過程中,仿真在各個階段都有著不同的應用,仿真的類型也越來越廣泛,
    因此為了提高產(chǎn)品的研制效率,仿真工作的效率提高顯得尤為重要,提高仿真工作的效率,一方面需要能夠在越來越廣泛的仿真分析類型中實現(xiàn)協(xié)同,另一方面需要實現(xiàn)越來越多的人開展不同的仿真任務的協(xié)同。
    廣泛的仿真分析類型中,采用了多種的仿真分析軟件(CAE 軟件),各CAE 軟件在核心功能上各有側重,在解決問題的方式上各有特長。但是沒有一個CAE 軟件可以包打天下,這是分析領域的廣泛性決定的。對于大型企業(yè)和設計院,即使對同一個部門,通常一種軟件也無法涵蓋所有分析需求。企業(yè)內(nèi)多種CAE 軟件并存,為企業(yè)應用帶來益處的同時也帶來諸多煩惱。
    企業(yè)產(chǎn)品設計分析工作帶來多種零散的CAE 軟件異構問題,導致該生產(chǎn)線上的操作人員在學習使用、技術交流、數(shù)據(jù)共享、多場耦合分析等方面的諸多問題,設計與仿真數(shù)據(jù)的不同源現(xiàn)象導致各種管理問題。這些問題將嚴重阻礙企業(yè)信息化和數(shù)字化工程的順利實施,降低企業(yè)的研發(fā)效率;因此仿真技術的集成在仿真效率的提高中顯得尤為重要。
    CAE 技術給工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)帶來了巨大經(jīng)濟效益,將基于物理樣機試驗的傳統(tǒng)設計方法帶入基于虛擬樣機仿真的現(xiàn)代設計方法,大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低成本,提高企業(yè)競爭力。因此,仿真技術的提高是提高企業(yè)研發(fā)質(zhì)量的關鍵。
    基于以上的現(xiàn)狀,有必要對企業(yè)的仿真業(yè)務管理模式進行革新,加強仿真數(shù)據(jù)和流程的管理,構建特定的企業(yè)級仿真業(yè)務管理平臺。通過定制開發(fā),企業(yè)可以在統(tǒng)一的平臺下,實現(xiàn)企業(yè)仿真過程的協(xié)同化和標準化,管理仿真數(shù)據(jù)、流程、軟件資源和任務調(diào)度工具,并能與設計、試驗等外部系統(tǒng)集成,實現(xiàn)互聯(lián)互通,形成協(xié)同研發(fā)環(huán)境。對于標準化分析流程,進行封裝應用軟件,以重用最佳實踐?？傊?協(xié)同仿真為企業(yè)帶來了新的創(chuàng)新動力,推動產(chǎn)品研發(fā)走向成功。
    企業(yè)建立協(xié)同的目標是,通過對產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實施,搭建一個集成多學科異構CAE 技術的仿真系統(tǒng)。以協(xié)同仿真管理為核心,組建一個基于網(wǎng)絡的產(chǎn)品研制虛擬仿真團隊,基于產(chǎn)品虛擬仿真樣機,實現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關的人、技術、數(shù)據(jù)在這個統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作,各類數(shù)據(jù)之間的交流,傳遞和共享皆可在這個環(huán)境中完成。

1 協(xié)同仿真平臺建設內(nèi)容
    協(xié)同仿真平臺系統(tǒng)通過規(guī)范各仿真分析流程,對仿真所用的各種CAD/CAE 軟件、自研程序進行有機整合,并對仿真數(shù)據(jù)進行有效管理,從而構建以任務驅動的協(xié)同仿真平臺系統(tǒng)?；谠撈脚_系統(tǒng)的建設目標,平臺建設內(nèi)容主要包括以下三部分:企業(yè)仿真管理協(xié)同環(huán)境、企業(yè)仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境、企業(yè)仿真資源支撐環(huán)境。
    1.1 企業(yè)仿真管理協(xié)同環(huán)境
    企業(yè)仿真管理協(xié)同環(huán)境包括仿真數(shù)據(jù)管理及仿真流程管理兩個子模塊。仿真數(shù)據(jù)管理子模塊提供專業(yè)的仿真數(shù)據(jù)管理服務器,保證數(shù)據(jù)集中管理,減少大量查找仿真數(shù)據(jù)的時間,快速獲取數(shù)據(jù),積累、重用仿真歷史數(shù)據(jù),保護企業(yè)知識產(chǎn)權。
    仿真數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)建設內(nèi)容主要包括以下幾部分:數(shù)據(jù)基本操作、數(shù)據(jù)信息處理、第三方軟件接口、數(shù)據(jù)安全及訪問權限控制。企業(yè)仿真流程由一系列企業(yè)自身的業(yè)務流程組成。通過建設仿真流程管理模塊,仿真流程可自動生成或直接建立,流程引擎驅動仿真流程的流轉,并根據(jù)流程節(jié)點的完成狀態(tài)進行流程監(jiān)控。
    仿真流程管理模塊建設內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾點:流程創(chuàng)建、流程執(zhí)行、流程監(jiān)控、與其系統(tǒng)集成等。
    1.2 企業(yè)仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境
    企業(yè)通過仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境,為仿真人員提供一個集仿真工具、仿真模板、仿真過程一體化的仿真工作臺面。通過工具集成、過程標準化及規(guī)范化、參數(shù)化及參數(shù)管理、優(yōu)化設計、仿真知識管理、基層仿真資源模塊的建立,形成仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境。產(chǎn)品研制的各種仿真序列工作,都可以全部在仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境中集中起來,形成一個綜合化的產(chǎn)品仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境。仿真執(zhí)行協(xié)同環(huán)境建設內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾點:仿真工具集成、仿真過程標準化及規(guī)范化、仿真知識伴隨、參數(shù)化及參數(shù)管理、優(yōu)化設計等。
    1.3 企業(yè)仿真資源支撐環(huán)境
    工具軟件 各種CAD/CAE 仿真工具及自研程序作為協(xié)同仿真平臺的基礎仿真資源為平臺提供資源支撐。通過各種仿真工具及企業(yè)自研程序可建立仿真模型,進行各種仿真分析計算及結果分析處理。仿真輔助系統(tǒng) 仿真輔助系統(tǒng)搭建基礎資源庫,包括載荷庫、模型庫、材料庫等,起到輔助學習、輔助仿真分析、輔助創(chuàng)新的作用。
    1.4 企業(yè)協(xié)同仿真建設藍圖
    針對企業(yè)不同應用方向,協(xié)同仿真平臺提供了不同的部署方式及應用模式。根據(jù)組織模式和流程成熟度劃分,協(xié)同仿真平臺分為單人、多人和企業(yè)三種應用模式。單人應用模式主要解決各類仿真工具、數(shù)據(jù)異構問題,實現(xiàn)仿真工具和數(shù)據(jù)的協(xié)同;多人應用模式主要解決各仿真科室內(nèi)部仿真人員之間和資源的協(xié)同問題,提供科室內(nèi)自動化的工作流程,同時實現(xiàn)各分析人員間仿真模型和數(shù)據(jù)的共享;企業(yè)應用模式主要解決企業(yè)內(nèi)仿真部門間區(qū)域分散的問題,提供網(wǎng)絡分布式集成封裝機制,跨區(qū)域的仿真任務流程和數(shù)據(jù)管理,實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)仿真分析過程的規(guī)范化,進行知識的封裝和積累,保護企業(yè)的知識產(chǎn)權。
2 協(xié)同仿真平臺建設可行性
    2.1 技術可行性
    計算機輔助工程(CAE)作為一門新興的學科已經(jīng)成為了各大企業(yè)中設計新產(chǎn)品過程中不可缺少的一環(huán)。傳統(tǒng)的CAE技術是指工程設計中的分析計算與分析仿真,具體包括工程數(shù)值分析、結構與過程優(yōu)化設計、強度與壽命評估、運動/動力學仿真,驗證未來工程/產(chǎn)品的可用性與可靠性。如今,隨著企業(yè)信息化技術的不斷發(fā)展,CAE軟件與CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起,已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主導技術,在提高工程/產(chǎn)品的設計質(zhì)量,降低研究開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期方面都發(fā)揮了重要作用。
    隨著計算機技術與軟件技術的不斷發(fā)展壯大,CAE的技術手段與應用范圍已經(jīng)不可同日而語,隨之而來也誕生了數(shù)以百計的CAE軟件。種類繁多的CAE軟件為人類探索未知提供了工具,CAE軟件已經(jīng)逐漸的被更多的工程人員所接受,在CAE軟件中進行著產(chǎn)品的仿真、分析與優(yōu)化,同時工程和產(chǎn)品的自主創(chuàng)新也為CAE發(fā)展提供了強大的動力。
    近年來,先進仿真技術飛速發(fā)展,國外各大軟件公司為了提升自己的仿真技術、拓寬自己的應用范圍,尋找機會收購、并購其他專業(yè)的軟件廠商,CAE仿真軟件的功能得到了極大的提升。ANSYS則是一家最早開始收購并整合其他軟件技術的公司,通過一連串的并購與自身壯大后,把自身產(chǎn)品擴展為ANSYS MECHANICAL系列,ANSYS CFD(FLUENT/CFX)系列,ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS WORKBENCH,ANSYS EKM等。ANSYS公司塑造了一個體系規(guī)模龐大、產(chǎn)品線極為豐富的仿真平臺,在結構分析、電磁場分析、流體動力學分析、多物理場、協(xié)同技術等方面都提供了完善的解決方案。與此同時,國內(nèi)關于協(xié)同仿真技術的相關研究與實踐也取得了長足進步。
    2.2 基礎條件可行性
    多種輔助設計的計算機軟件工具,對企業(yè)產(chǎn)品設計起到了很好的輔助作用。
    在設計工具方面,有三維設計軟件proe、UG、CATIA、SOLIDWORKS 等,其中三維設計比重正逐步提高,開始運用proe 等先進的三維設計系統(tǒng)。CAD 技術輔助對產(chǎn)品進行設計并建立相應的數(shù)字化模型以支持先進的制造技術,從本質(zhì)上減輕了設計工作人員大量簡單煩瑣的工作量,使他們能集中精力于那些富有創(chuàng)造性的高層次思維活動中。
    在性能仿真方面,除了基于自身設計規(guī)范和經(jīng)驗的自研程序外,還有一系列的商業(yè)分析軟件,例如結構分析軟件ANSYS、NASTRAN、ABAQUS 等;噪聲分析軟件SYSNOISE;電磁分析軟件FEKO;流體分析軟件CFX 和FLUENT;多體動力學分析軟件ADAMS、RECURDYN 等。CAE 技術利用現(xiàn)代計算機強大的數(shù)值計算能力所起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,減少了成本。
    2.3 能力條件
    經(jīng)過信息化的深化建設,各類高等院校、專業(yè)研究院校、大型企業(yè)的技術研發(fā)中心等已經(jīng)具備一定的仿真、分析技術能力,積累了大量仿真設計規(guī)范和經(jīng)驗,并且經(jīng)過多年的產(chǎn)品研發(fā)和仿真技術應用,己形成了一批具有專業(yè)CAD、CAE知識、具有較強創(chuàng)新能力、具有豐富行業(yè)化設計仿真經(jīng)驗的仿真技術專家,這些為協(xié)同仿真技術的實現(xiàn)奠定了技術基礎。

3 協(xié)同仿真平臺建設關鍵技術
    協(xié)同仿真平臺建設關鍵技術包括海量異構仿真數(shù)據(jù)管理、仿真流程驅動引擎、仿真技術集成、與PLM/PDM 信息化系統(tǒng)集成等。仿真活動中,產(chǎn)生海量的仿真流程數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等。協(xié)同仿真平臺管理仿真過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),包括模型、報告、結果等各類型的異構數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)管理技術,能夠對海量異構的仿真數(shù)據(jù)進行集中、高效與統(tǒng)一的管理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重用性和可追溯性,制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準與規(guī)范。產(chǎn)品的仿真過程,由一系列復雜的仿真業(yè)務活動組成,通過可視化的仿真流程管理技術快速定義或調(diào)用基于最佳實踐的產(chǎn)品仿真流程。仿真流程管理系統(tǒng)提供仿真流程定義、流程執(zhí)行、流程監(jiān)控等功能。流程驅動引擎,驅動產(chǎn)品仿真流程的每個任務節(jié)點有序、合理地指派、分發(fā)、執(zhí)行,通過計算機網(wǎng)絡把每個任務節(jié)點相關的不同數(shù)據(jù)和信息,發(fā)送到具體執(zhí)行人員的仿真工作環(huán)境中,并自動郵件通知工作項目執(zhí)行人。任務節(jié)點包括,手動節(jié)點、自動節(jié)點、批處理節(jié)點、迭代節(jié)點、監(jiān)控節(jié)點、DOE 節(jié)點、優(yōu)化節(jié)點、更新分析項目節(jié)點等。
    通過統(tǒng)一的工具集成和協(xié)同技術,可以提供一個集仿真、優(yōu)化的集成化工作環(huán)境。協(xié)同仿真平臺可以實現(xiàn)與PLM/PDM系統(tǒng)的雙向接口。允許從PLM/PDM系統(tǒng)傳輸文件到平臺,同時數(shù)據(jù)屬性隨文件傳送,可以在平臺中確認數(shù)據(jù)更新狀態(tài),并支持文件從協(xié)同仿真平臺傳送回PLM/PDM系統(tǒng)。

4 協(xié)同仿真平臺建設的意義
    協(xié)同仿真平臺建設意義在于提高企業(yè)仿真工作效率,使仿真作用最大化,充分發(fā)揮工具、流程與數(shù)據(jù)的潛能,完成以前無法完成的任務;二是降低企業(yè)仿真工作難度,讓盡量多的人可以駕馭仿真技術,讓新手更早地進入高產(chǎn)能狀態(tài);三是將仿真引入到企業(yè)產(chǎn)品生命周期的整個階段,讓盡量多的人愿意且有可能介入到仿真流程,讓更多的人從仿真成果中受益?；趨f(xié)同仿真平臺,企業(yè)原本離散的仿真技術、數(shù)據(jù)、流程可以綜合起來,形成協(xié)同優(yōu)勢,完成以前無法完成的任務,支持復雜產(chǎn)品的設計和仿真。各種軟件工具可以集成與協(xié)同,從而最大限度地發(fā)揮軟件工具的作用,提高研發(fā)效率。仿真不再是分析高手的專利,通過對仿真知識的封裝,降低了仿真難度,更多的人能駕馭仿真技術,新手更早地進入了高產(chǎn)能狀態(tài)。通過協(xié)同仿真平臺的搭建,可以為企業(yè)提供集仿真流程管理、仿真數(shù)據(jù)管理及仿真技術集成于一體的協(xié)同分析環(huán)境,進一步加深仿真技術在各行業(yè)的應用,加速產(chǎn)品研發(fā)設計的速度,降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

5 結論
    (1) 產(chǎn)品生產(chǎn)的高度信息化是協(xié)同仿真平臺開發(fā)的源動力。
    (2) 協(xié)同仿真平臺建設覆蓋企業(yè)仿真管理和執(zhí)行環(huán)節(jié),目前已具備建設的外部支撐條件具有建設可行性。
    (3) 協(xié)同仿真平臺技術上具有可操作性,軟硬件能力成熟,關鍵技術思路清晰且意義重大,其大規(guī)模建設勢在必行。