电子产品多学科协同仿真

2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 曾锐*平丽浩*翁力群来源: 安世亚太
关键字: 电子 CAE 仿真解决方案 ANSYSY 安世亚太

随着信息化技术的发展,电子设备在各种高科技武器装备中的应用日益广泛,其性能在很大程度上决定了装备的综合作战性能。可以说,没有各种电子设备,“打赢高科技条件下局部战争”的目标将无法实现。进入新世纪后,国际政治军事斗争的形势日趋复杂,如何根据部队需求快速研制出技术先进、成本低廉的电子设备已成为军工制造业的当务之急。

电子科技集团第十四研究所是国内最大的从事电子产品尤其是雷达研究、设计、制造的专业研究所,承担了我国多个型号雷达系统的研制任务。“八五”以来,十四所就在数字化设计方面开展了一系列预研与开发,以数字化工具为手段,努力实现雷达系统性能提高和快速响应,为全面提升军工制造业研制水平提供了有力支持。

在多年的电子设备研发中,我们总结出电子产品相对于飞机、舰船、车辆等以机械为主的产品的若干特点:

(1)涉及学科众多,且相互耦合

电子产品的研发过程涉及到机、电、磁、热等多个不同学科,各学科之间耦合紧密,相互影响。尤其是机电耦合,如不加以仔细分析,将对整个系统产生显著影响。

(2)种类繁多

随着现代科技的高速发展,电子产品的种类也日趋繁多。以雷达为例,根据装置平台的不同(地面、舰载、机载、星载)、发射方式的不同(有源、无源)、扫描方式的不同(机扫、电扫),衍生出了成员众多的家族。

(3)结构复杂

电子产品尤其是军用电子产品通常工作空间非常有限,而环境非常恶劣。这就要求在很小的体积内实现多种功能,导致结构非常复杂。

(4)技术飞速发展,产品更新换代频繁

电子学是目前发展最为迅速的学科之一,运行速度、集成度等核心参数以几何级数的速度提高。技术高速发展带来了产品更新速度加快,要求企业必须加快产品的研发速度才能不被市场抛下。

一、电子产品研发面临的问题

经过多年电子产品的研发与经验积累,中国电子科技集团十四所形成了一套符合自身特点、行之有效的研发体系。但是随着科技的高速发展和装备研制的加速,一些瓶颈开始凸现:

(1)缺乏多学科协同仿真

以往的研发工作中往往将各学科分开考虑,以单学科性能最优为目标,进行的仿真也只是单学科静态仿真。这样的研发没有考虑各学科间的耦合,因而无法协调各学科性能,也无法模拟更真实的动态性能,难以达到产品总体性能最优。

(2)学科分工模糊

从CAD建模、CAE仿真、CAM制造,乃至测试基本上都是由同一个人完成。研发人员的个人经验起着主导作用,导致产品的性能并不稳定。

(3)仿真门槛较高

电子产品的研发过程是电子、机械、液压、控制、软件等多学科交叉和协作的系统工程,因此开发过程中使用的仿真工具也各不相同。设计人员难以全部掌握,影响了仿真工具性能的充分发挥。

(4)软件互不兼容

各异构仿真软件尤其是电磁软件与结构软件间模型各异,数据格式互不兼容,必须手工进行模型转换和数据交换。这样不但耗费了设计人员的很大一部分时间和精力,而且容易出错。

(5)知识经验无法积累和使用

在仿真软件的使用中,各学科软件的熟练使用人员都会摸索和积累大量经验和技巧。这种知识目前只能通过长期的积累才能获得,初学者很难快速获得。此外,以往产品开发中的大量数据与模型都分散在各个设计人员手中,其它人难以共享。这些知识经验是企业最宝贵的资源之一,有必要加以整理与保存。
二、多学科协同开发平台的建立

为突破以上研发瓶颈,我们与国内最大的CAE提供商安世亚太合作,针对电子产品的特点,在PERA Simulation平台的基础上,提出建立基于模块化思想,仿真驱动,全所资源共享的“电子产品多学科协同开发平台”(以下简称平台)。

该平台以电子产品典型模块为对象,突破软件集成、流程固化、数据管理与共享等关键技术,整合了我所仿真软件资源,打通CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM各系统间接口,为协同仿真提供了支撑平台,使不同学科、位于不同逻辑节点、基于不同计算机平台的设计人员可采用不同建模方法建立混合异构层次化仿真模型,并在分布式环境上进行仿真与分析。

1.平台框架

如图1所示,整个平台按功能和层次的不同可分为用户交互层,系统功能层和底层支持层三层。

用户交互层是平台的入口,主要提供一个统一的用户界面。设计人员在本界面内即可完成全部的设计和仿真工作,无需在各个软件和系统间频繁的切换界面和交换数据。

系统功能层为设计人员在用户交互层的操作提供工具、技术和数据的支持,是本系统的主要组成部分,也是本系统的核心,又可以进一步划分为功能模块层,核心技术层和数据支持层三层。

功能模块层包括各类典型模块的快速开发子系统。每个子系统都可以完成快速建模,多学科快速仿真与优化以及相应模块研发与仿真数据管理三大功能。

核心技术层集成了为实现以上功能的各项关键技术,包括模块设计规则、多学科耦合解耦技术、多学科多目标优化技术、异构软件集成技术等等。

数据支持层为功能实现和技术集成提供数据的支持,包括各种研发数据库。

系统功能层为整个平台提供了应用业务的支持,也是定制开发的重点,关系着整个系统的性能。

底层支持层是整个系统的基础,包括PDM系统以及底层的高性能服务器、高速网络、操作系统、后台服务、分布式任务控制等。这些资源为整个系统提供了软硬件的支持。

2.多学科协同仿真

完成平台框架设计后,我们针对典型模块在设计与仿真中遇到的多学科协同仿真问题在以下几个方面开展了研究。

(1)多场耦合动态仿真

如前文所述,电子产品的开发涉及到多个不同学科,学科之间耦合紧密。例如某种雷达在常温静态测试时一切正常,而在实战环境中性能就大受影响。这就要求在研发时运用多场耦合解耦技术,建立符合电子产品学科特点的多学科研发流程,实现动态仿真。如图2所示是运用解耦技术建立的某模块多学科仿真流程,其研发过程中要进行电路、电磁兼容、热、结构、振动、可靠性等多项仿真,各项仿真分析结果相互耦合和影响。必须合理安排不同仿真任务的次序,经过多次迭代后才能得到较符合实际的动态仿真结果。

(2) 流程固化与管理

为了解决企业仿真中“老人不想做,新人做不了”的情况。平台根据各典型产品的研发特点,将产品研发的分析经验进行积累和整理,固化成适当的产品研发流程,对研发过程中用到的各分析软件(包括第三方CAE软件和自行开发的软件)和分析流程进行二次开发,定制了多学科仿真流程模板。设计人员只需根据模板提示操作,平台自动在后台调用相关工具并完成设置、仿真、显示等一系列复杂工作。这样普通设计人员只需经过简单培训就可以掌握常规产品的设计,而资深设计师可以将更多的精力集中到解决复杂技术问题中。如图3即为某产品多学科仿真流程模板。

(3) 打通软件接口

平台利用软件集成技术,打通了研发中使用的各仿真软件间的数据接口。设计人员只需面对统一界面,关心与自己工作有关的部分,所有仿真软件间数据交换都由平台在后台自动完成。如下图4所示,同一模型在各软件间可以自动地无损转换。

三、结束语

电子产品多学科协同开发平台的建立,不但提升了十四所产品开发过程中的仿真水平,而且发现并改革了现有研发模式、管理制度、工作流程中的某些问题。下一阶段,计划将快速生产、虚拟测试、整机仿真等功能都纳入该平台的体系,实现电子产品研制从下达任务、设计、制造、测试、直至产品交付的全寿命周期数字化,为满足部队新装备多型号、快响应的要求奠定坚实的技术基础。

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