CAE协同仿真平台建设介绍

现代中国制造业的发展主旋律是“以信息化带动工业化,以工业化促进信息化”。产品研制过程的信息化瞄准“数字”和“协同”两个目标。以日新月异的网络技术和计算机技术为基础,采用产品数字化虚拟研发技术,重组企业产品研发流程,大力推行并行工程,组建产品研发和制造的网络化虚拟环境。
    现代制造业信息化主旋律将仿真带入了协同时代。企业间产品协同开发的需求、仿真工作融入研发流程的呼吁,保存企业智力资产的渴求,都使我们无法不加快协同仿真技术发展的步伐。
    CAE 仿真技术通过开发吻合研发流程的协同仿真平台,建立流畅的仿真通道,帮助企业打通从设计、仿真、试验、制造的全数字化生产线。从而,企业可以非常方便地进行数字化工程的统筹规划,并在CAE 上的所有投入物有所值,物尽其用。同时,在开发过程中,使企业的智力资产得到完美的融台。
    传统的产品研制,都是以试验的方式对设计方法和产品进行验证,以确保产品的性能。往往试验需要人为控制,对于环境、仪器、人员等条件要求非常高,需要资金、人员、设备等大量投入,有些大型试验风险很难以预测,产品的研制周期长,研制成本高。CAE仿真技术的产生之后,可以通过CAE技术完成部分物理试验无法完成的产品性能分析工作。但是仿真只是作为产品检验的手段,没有真正成为产品设计的一个必要阶段,只能在产品设计的后期,甚至产品试验过程或使用阶段发现问题之后才进行分析。仿真不能对产品设计起到指导性作用,没有最大限度发挥自身价值。
    目前,随着仿真技术的发展,仿真已经融入产品的设计过程,成为产品设计的一部分。通过仿真不仅能在产品设计后期进行设计性能校核,同时在产品试验前期通过虚拟仿真模拟实验结果,指导产品物理试验,并在产品试验后期验证物理试验结果,保证了试验准确度,大大降低了试验的成本。但在企业产品研制仿真应用中期阶段,虚拟仿真仍然只是作为产品检验的工具对产品性能进行评估或指导物理试验,还不能完全取代物理样机试验。随着仿真重要性不断加强,仿真已经被广泛的应用于汽车、航空、航天等行业。这些行业的复杂产品仿真包括结构、流体、碰撞、振动噪声、成型分析等,涉及到多个学科的不同领域。现有的仿真工具可以有效辅助某个功能单元的设计任务,能够解决大部分单学科的分析评估问题,却很难处理涉及多学科交互的复杂仿真问题,无法利用某一种仿真工具完成对多个学科的仿真。传统的做法是分别从单个学科的角度出发对复杂产品进行处理,将涉及其他学科的子系统加以简化甚至完全忽略。但由于复杂产品是一个统一的整体,各学科子系统之间有着不同程度的约束和交互。如果只从某一个角度对其进行分析,忽略了学科之间的联系,势必将会造成系统整体性和相关性的丢失,降低仿真结果的可信度。所以需要对多个不同学科领域的子系统所组成的整体系统进行相应的仿真分析,即进行多个领域的协同仿真,从而在产品设计阶段就可以对产品进行全面的评估和分析。基于仿真技术在企业产品研制应用中的变革历程以及仿真在多学科多领域的应用,仿真技术必将应用到产品研发设计中的各个阶段,应用到更多的学科和领域当中。在仿真技术的不断深化应下,数字化、协同化、知识化的协同仿真时代已经到来。数字化、协同化、知识化的协同仿真平台是仿真技术发展不可逆转的趋势。现代企业产品研制过程中,仿真在各个阶段都有着不同的应用,仿真的类型也越来越广泛,
    因此为了提高产品的研制效率,仿真工作的效率提高显得尤为重要,提高仿真工作的效率,一方面需要能够在越来越广泛的仿真分析类型中实现协同,另一方面需要实现越来越多的人开展不同的仿真任务的协同。
    广泛的仿真分析类型中,采用了多种的仿真分析软件(CAE 软件),各CAE 软件在核心功能上各有侧重,在解决问题的方式上各有特长。但是没有一个CAE 软件可以包打天下,这是分析领域的广泛性决定的。对于大型企业和设计院,即使对同一个部门,通常一种软件也无法涵盖所有分析需求。企业内多种CAE 软件并存,为企业应用带来益处的同时也带来诸多烦恼。
    企业产品设计分析工作带来多种零散的CAE 软件异构问题,导致该生产线上的操作人员在学习使用、技术交流、数据共享、多场耦合分析等方面的诸多问题,设计与仿真数据的不同源现象导致各种管理问题。这些问题将严重阻碍企业信息化和数字化工程的顺利实施,降低企业的研发效率;因此仿真技术的集成在仿真效率的提高中显得尤为重要。
    CAE 技术给工业产品研发带来了巨大经济效益,将基于物理样机试验的传统设计方法带入基于虚拟样机仿真的现代设计方法,大幅缩短产品研发周期,降低成本,提高企业竞争力。因此,仿真技术的提高是提高企业研发质量的关键。
    基于以上的现状,有必要对企业的仿真业务管理模式进行革新,加强仿真数据和流程的管理,构建特定的企业级仿真业务管理平台。通过定制开发,企业可以在统一的平台下,实现企业仿真过程的协同化和标准化,管理仿真数据、流程、软件资源和任务调度工具,并能与设计、试验等外部系统集成,实现互联互通,形成协同研发环境。对于标准化分析流程,进行封装应用软件,以重用最佳实践。总之,协同仿真为企业带来了新的创新动力,推动产品研发走向成功。
    企业建立协同的目标是,通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施,搭建一个集成多学科异构CAE 技术的仿真系统。以协同仿真管理为核心,组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队,基于产品虚拟仿真样机,实现产品研制的并行仿真和异地仿真。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作,各类数据之间的交流,传递和共享皆可在这个环境中完成。

1 协同仿真平台建设内容
    协同仿真平台系统通过规范各仿真分析流程,对仿真所用的各种CAD/CAE 软件、自研程序进行有机整合,并对仿真数据进行有效管理,从而构建以任务驱动的协同仿真平台系统。基于该平台系统的建设目标,平台建设内容主要包括以下三部分:企业仿真管理协同环境、企业仿真执行协同环境、企业仿真资源支撑环境。
    1.1 企业仿真管理协同环境
    企业仿真管理协同环境包括仿真数据管理及仿真流程管理两个子模块。仿真数据管理子模块提供专业的仿真数据管理服务器,保证数据集中管理,减少大量查找仿真数据的时间,快速获取数据,积累、重用仿真历史数据,保护企业知识产权。
    仿真数据及知识管理系统建设内容主要包括以下几部分:数据基本操作、数据信息处理、第三方软件接口、数据安全及访问权限控制。企业仿真流程由一系列企业自身的业务流程组成。通过建设仿真流程管理模块,仿真流程可自动生成或直接建立,流程引擎驱动仿真流程的流转,并根据流程节点的完成状态进行流程监控。
    仿真流程管理模块建设内容主要体现在以下几点:流程创建、流程执行、流程监控、与其系统集成等。
    1.2 企业仿真执行协同环境
    企业通过仿真执行协同环境,为仿真人员提供一个集仿真工具、仿真模板、仿真过程一体化的仿真工作台面。通过工具集成、过程标准化及规范化、参数化及参数管理、优化设计、仿真知识管理、基层仿真资源模块的建立,形成仿真执行协同环境。产品研制的各种仿真序列工作,都可以全部在仿真执行协同环境中集中起来,形成一个综合化的产品仿真执行协同环境。仿真执行协同环境建设内容主要体现在以下几点:仿真工具集成、仿真过程标准化及规范化、仿真知识伴随、参数化及参数管理、优化设计等。
    1.3 企业仿真资源支撑环境
    工具软件 各种CAD/CAE 仿真工具及自研程序作为协同仿真平台的基础仿真资源为平台提供资源支撑。通过各种仿真工具及企业自研程序可建立仿真模型,进行各种仿真分析计算及结果分析处理。仿真辅助系统 仿真辅助系统搭建基础资源库,包括载荷库、模型库、材料库等,起到辅助学习、辅助仿真分析、辅助创新的作用。
    1.4 企业协同仿真建设蓝图
    针对企业不同应用方向,协同仿真平台提供了不同的部署方式及应用模式。根据组织模式和流程成熟度划分,协同仿真平台分为单人、多人和企业三种应用模式。单人应用模式主要解决各类仿真工具、数据异构问题,实现仿真工具和数据的协同;多人应用模式主要解决各仿真科室内部仿真人员之间和资源的协同问题,提供科室内自动化的工作流程,同时实现各分析人员间仿真模型和数据的共享;企业应用模式主要解决企业内仿真部门间区域分散的问题,提供网络分布式集成封装机制,跨区域的仿真任务流程和数据管理,实现企业内仿真分析过程的规范化,进行知识的封装和积累,保护企业的知识产权。
2 协同仿真平台建设可行性
    2.1 技术可行性
    计算机辅助工程(CAE)作为一门新兴的学科已经成为了各大企业中设计新产品过程中不可缺少的一环。传统的CAE技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真,具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真,验证未来工程/产品的可用性与可靠性。如今,随着企业信息化技术的不断发展,CAE软件与CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP一起,已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主导技术,在提高工程/产品的设计质量,降低研究开发成本,缩短开发周期方面都发挥了重要作用。
    随着计算机技术与软件技术的不断发展壮大,CAE的技术手段与应用范围已经不可同日而语,随之而来也诞生了数以百计的CAE软件。种类繁多的CAE软件为人类探索未知提供了工具,CAE软件已经逐渐的被更多的工程人员所接受,在CAE软件中进行着产品的仿真、分析与优化,同时工程和产品的自主创新也为CAE发展提供了强大的动力。
    近年来,先进仿真技术飞速发展,国外各大软件公司为了提升自己的仿真技术、拓宽自己的应用范围,寻找机会收购、并购其他专业的软件厂商,CAE仿真软件的功能得到了极大的提升。ANSYS则是一家最早开始收购并整合其他软件技术的公司,通过一连串的并购与自身壮大后,把自身产品扩展为ANSYS MECHANICAL系列,ANSYS CFD(FLUENT/CFX)系列,ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS WORKBENCH,ANSYS EKM等。ANSYS公司塑造了一个体系规模庞大、产品线极为丰富的仿真平台,在结构分析、电磁场分析、流体动力学分析、多物理场、协同技术等方面都提供了完善的解决方案。与此同时,国内关于协同仿真技术的相关研究与实践也取得了长足进步。
    2.2 基础条件可行性
    多种辅助设计的计算机软件工具,对企业产品设计起到了很好的辅助作用。
    在设计工具方面,有三维设计软件proe、UG、CATIA、SOLIDWORKS 等,其中三维设计比重正逐步提高,开始运用proe 等先进的三维设计系统。CAD 技术辅助对产品进行设计并建立相应的数字化模型以支持先进的制造技术,从本质上减轻了设计工作人员大量简单烦琐的工作量,使他们能集中精力于那些富有创造性的高层次思维活动中。
    在性能仿真方面,除了基于自身设计规范和经验的自研程序外,还有一系列的商业分析软件,例如结构分析软件ANSYS、NASTRAN、ABAQUS 等;噪声分析软件SYSNOISE;电磁分析软件FEKO;流体分析软件CFX 和FLUENT;多体动力学分析软件ADAMS、RECURDYN 等。CAE 技术利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程,缩短了产品开发周期,减少了成本。
    2.3 能力条件
    经过信息化的深化建设,各类高等院校、专业研究院校、大型企业的技术研发中心等已经具备一定的仿真、分析技术能力,积累了大量仿真设计规范和经验,并且经过多年的产品研发和仿真技术应用,己形成了一批具有专业CAD、CAE知识、具有较强创新能力、具有丰富行业化设计仿真经验的仿真技术专家,这些为协同仿真技术的实现奠定了技术基础。

3 协同仿真平台建设关键技术
    协同仿真平台建设关键技术包括海量异构仿真数据管理、仿真流程驱动引擎、仿真技术集成、与PLM/PDM 信息化系统集成等。仿真活动中,产生海量的仿真流程数据、中间数据、模型数据、仿真数据、文档数据等。协同仿真平台管理仿真过程中产生的数据,包括模型、报告、结果等各类型的异构数据。仿真数据管理技术,能够对海量异构的仿真数据进行集中、高效与统一的管理,实现数据的重用性和可追溯性,制定统一的数据标准与规范。产品的仿真过程,由一系列复杂的仿真业务活动组成,通过可视化的仿真流程管理技术快速定义或调用基于最佳实践的产品仿真流程。仿真流程管理系统提供仿真流程定义、流程执行、流程监控等功能。流程驱动引擎,驱动产品仿真流程的每个任务节点有序、合理地指派、分发、执行,通过计算机网络把每个任务节点相关的不同数据和信息,发送到具体执行人员的仿真工作环境中,并自动邮件通知工作项目执行人。任务节点包括,手动节点、自动节点、批处理节点、迭代节点、监控节点、DOE 节点、优化节点、更新分析项目节点等。
    通过统一的工具集成和协同技术,可以提供一个集仿真、优化的集成化工作环境。协同仿真平台可以实现与PLM/PDM系统的双向接口。允许从PLM/PDM系统传输文件到平台,同时数据属性随文件传送,可以在平台中确认数据更新状态,并支持文件从协同仿真平台传送回PLM/PDM系统。

4 协同仿真平台建设的意义
    协同仿真平台建设意义在于提高企业仿真工作效率,使仿真作用最大化,充分发挥工具、流程与数据的潜能,完成以前无法完成的任务;二是降低企业仿真工作难度,让尽量多的人可以驾驭仿真技术,让新手更早地进入高产能状态;三是将仿真引入到企业产品生命周期的整个阶段,让尽量多的人愿意且有可能介入到仿真流程,让更多的人从仿真成果中受益。基于协同仿真平台,企业原本离散的仿真技术、数据、流程可以综合起来,形成协同优势,完成以前无法完成的任务,支持复杂产品的设计和仿真。各种软件工具可以集成与协同,从而最大限度地发挥软件工具的作用,提高研发效率。仿真不再是分析高手的专利,通过对仿真知识的封装,降低了仿真难度,更多的人能驾驭仿真技术,新手更早地进入了高产能状态。通过协同仿真平台的搭建,可以为企业提供集仿真流程管理、仿真数据管理及仿真技术集成于一体的协同分析环境,进一步加深仿真技术在各行业的应用,加速产品研发设计的速度,降低产品研发成本。

5 结论
    (1) 产品生产的高度信息化是协同仿真平台开发的源动力。
    (2) 协同仿真平台建设覆盖企业仿真管理和执行环节,目前已具备建设的外部支撑条件具有建设可行性。
    (3) 协同仿真平台技术上具有可操作性,软硬件能力成熟,关键技术思路清晰且意义重大,其大规模建设势在必行。