解讀仿真數(shù)據(jù)與流程管理的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)

仿真技術(shù)從上世紀(jì)60年代初誕生至今，已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)，在工業(yè)界需求的牽引和軟硬件技術(shù)發(fā)展的推動下，在航空航天、車輛、機(jī)械、土木、石油、電子、消費(fèi)品等等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的實(shí)踐?，F(xiàn)在，產(chǎn)品的性能、制造工藝以及基礎(chǔ)研究等很多問題都可以進(jìn)行仿真模擬。CAE仿真已經(jīng)成為產(chǎn)品研發(fā)中必不可少的手段和工具。隨著仿真工作的開展，數(shù)據(jù)大量積累，人員日漸增多，對數(shù)據(jù)和流程進(jìn)行有效管理，同時(shí)在人員之間建立有效的協(xié)作，進(jìn)而讓仿真為產(chǎn)品決策提供依據(jù)，就顯得日益關(guān)鍵和迫切。

仿真數(shù)據(jù)與流程管理現(xiàn)狀

1）海量分析仿真數(shù)據(jù)缺乏有效的管理

在虛擬仿真的過程中，生成了海量的、不同類型的仿真文檔和數(shù)據(jù)，對應(yīng)不同的分析結(jié)果。目前數(shù)據(jù)主要存放在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，效率低下、數(shù)據(jù)維護(hù)困難、易造成數(shù)據(jù)丟失和版本混亂；數(shù)據(jù)共享交換困難，不同專業(yè)之間、設(shè)計(jì)/仿真/試驗(yàn)之間存在大量“數(shù)據(jù)孤島”。如何有效管理仿真文檔，如何建立分析文檔與產(chǎn)品模型的對應(yīng)關(guān)系，是CAE技術(shù)深化應(yīng)用必須解決的問題。

2）仿真流程和方法不能有效地共享，很難實(shí)現(xiàn)知識的積累和重用

同樣的產(chǎn)品模型，應(yīng)用同樣的CAE軟件，但不同的分析工程師，由于知識和經(jīng)驗(yàn)的差異，分析出來的結(jié)果差異會很大。因此，企業(yè)如何建立自己的虛擬仿真規(guī)范和知識庫，實(shí)現(xiàn)對虛擬仿真知識的捕捉和重用，如何將經(jīng)驗(yàn)豐富的分析專家的仿真知識和仿真流程傳承給新入門的分析工程師，是企業(yè)真正應(yīng)用好CAE技術(shù)的關(guān)鍵。

3）仿真流程缺乏監(jiān)控，仿真數(shù)據(jù)作為過程數(shù)據(jù)缺乏審計(jì)和跟蹤

對產(chǎn)品進(jìn)行虛擬仿真涉及到十分復(fù)雜的流程，而應(yīng)用單一的CAE產(chǎn)品，需要手工管理仿真流程，導(dǎo)致虛擬仿真的效率不高，且仿真數(shù)據(jù)作為過程數(shù)據(jù)缺乏審計(jì)和跟蹤。如何實(shí)現(xiàn)虛擬仿真流程的自動化，創(chuàng)建完整的仿真流程模板，并且能夠根據(jù)各個(gè)學(xué)科仿真的需求動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格模型，對于提升虛擬仿真的效率和質(zhì)量非常關(guān)鍵。

4）各種商用和自研分析仿真工具缺乏有效的集成化應(yīng)用

當(dāng)前，主要是各種軟件的單點(diǎn)應(yīng)用，工具選擇隨意性大，給模型集成和多專業(yè)綜合仿真造成困難，無法圍繞統(tǒng)一的工具和技術(shù)進(jìn)行建模與仿真過程的標(biāo)準(zhǔn)化和知識積累；同時(shí)，單點(diǎn)工具之間大量的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)控制、接口轉(zhuǎn)換等工作需要工程師完成，效率和規(guī)范化程度低，而且大量寶貴的自研工具分散在工程師手中，無法共享和積累。

企業(yè)對仿真數(shù)據(jù)與流程管理系統(tǒng)的需求

圖1仿真數(shù)據(jù)與流程管理系統(tǒng)的需求

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(jìn)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(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的譜系追蹤。

多方案多工況對比，提高工作效率

在進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案權(quán)衡研究時(shí)，工程師常需花費(fèi)較多時(shí)間精力對多個(gè)設(shè)計(jì)方案、多種工況的分析結(jié)果手動進(jìn)行對比篩選，并撰寫對比報(bào)告。建立多方案多工況對比能力以及對比報(bào)告生成機(jī)制將會大大提高工程師的工作效率。

仿真置信度的提升

如不考慮仿真置信度的評估和提升，仿真結(jié)果很難用于設(shè)計(jì)優(yōu)化。具有足夠置信度的仿真數(shù)據(jù)才是仿真數(shù)據(jù)與流程管理的重點(diǎn)。

仿真流程的管理

項(xiàng)目研發(fā)流程涉及不同的人員、專業(yè)以及工具軟件，通過仿真流程可以將仿真過程、仿真數(shù)據(jù)、仿真經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范以及仿真人員集成在一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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。

仿真分析過程的質(zhì)量審計(jì)

某一項(xiàng)目的仿真工作常常涉及多個(gè)學(xué)科的數(shù)據(jù)協(xié)同，在查看已有分析結(jié)果時(shí)，無法了解其前端建模過程中相應(yīng)階段的輸入輸出，因此對其結(jié)果質(zhì)量及其過程的可靠性常需工程師花費(fèi)大量時(shí)間精力(電話，會議，線下交流等方式)來人為追溯其分析過程。

學(xué)科工具軟件集成應(yīng)用

仿真分析工具種類繁多，不同軟件在建模質(zhì)量、解算精度以及與第三方軟件接口方面良莠不齊，在多學(xué)科耦合計(jì)算和優(yōu)化分析方面涉及不同商業(yè)工具/自研軟件之間大量的重復(fù)手動工作、人為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此學(xué)科工具應(yīng)用集成對提高建模效率及質(zhì)量有至關(guān)重要的作用。

與PLM/TDM/HPC等系統(tǒng)集成應(yīng)用以構(gòu)建整體研發(fā)平臺

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)/分析/試驗(yàn)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，消除PDM/TDM系統(tǒng)造成的信息孤島，加強(qiáng)仿真分析在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的應(yīng)用，需要與現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)、TDM系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)資源共享，并通過HPC調(diào)度，實(shí)現(xiàn)解算效率的提升。

仿真數(shù)據(jù)與流程管理的獨(dú)特之處

與PDM\PLM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理不同，仿真數(shù)據(jù)與流程管理由于管理對象和過程的差異性，它具有很多自身的特點(diǎn)：

（1）仿真結(jié)果文件容量大，單個(gè)計(jì)算結(jié)果高達(dá)幾G甚至幾十G；

（2）數(shù)據(jù)格式不同，不同的CAE軟件會產(chǎn)生不同類型的仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果文件和中間文件的格式都不一樣；

（3）仿真數(shù)據(jù)管理除了管理各種各樣的數(shù)據(jù)，更重要的是對流程的管理。

這些獨(dú)特的特點(diǎn)決定了仿真數(shù)據(jù)管理相對于PDM\PLM系統(tǒng)是不一樣的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，仿真數(shù)據(jù)與流程管理系統(tǒng)一直得不到企業(yè)的重視，一是因?yàn)槠涔芾黼y度大，二是因?yàn)橐话闫髽I(yè)的仿真業(yè)務(wù)由專業(yè)的團(tuán)隊(duì)來承擔(dān)，范圍比較小，仿真數(shù)據(jù)管理的需求相對CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來說，并不迫切。

目前，大多數(shù)研發(fā)類企業(yè)基本都上了PDM\PLM系統(tǒng)，為什么不用PDM\PLM系統(tǒng)來管理仿真數(shù)據(jù)呢？主要是兩方面的原因：

（1）PDM/PLM系統(tǒng)對CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，需要與CAD系統(tǒng)進(jìn)行集成，若用PDM/PLM系統(tǒng)管理仿真數(shù)據(jù)，同樣需要集成，而仿真工具軟件種類繁多，且缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式真可謂“各種各樣”，想用PDM/PLM系統(tǒng)管理仿真數(shù)據(jù)，簡直難上加難。

（2）如果單單管理仿真結(jié)果文件，PDM/PLM系統(tǒng)完全可以勝任，但仿真的流程是最需要被管理的，這是仿真數(shù)據(jù)管理平臺與PDM/PLM系統(tǒng)的本質(zhì)不同。仿真數(shù)據(jù)與流程管理平臺不僅要管理結(jié)果，更重要的是管理流程，且仿真的目的是為了找到相對優(yōu)化的方案，涉及不同工況分析、不同方案的分析等等，這點(diǎn)對PDM/PLM系統(tǒng)，只能是望洋興嘆。

仿真數(shù)據(jù)與流程管理的關(guān)鍵技術(shù)

圖2仿真數(shù)據(jù)與流程管理的關(guān)鍵技術(shù)

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，仿真流程既包括具體軟件工具內(nèi)部的向?qū)椒治隽鞒蹋ㄈ鐚?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(jìn)行分析、生成報(bào)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(gè)節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)的工具（模塊）、數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和交互，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在流程中的自動流轉(zhuǎn)。

圖3產(chǎn)品數(shù)字化仿真的一般流程

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(jìn)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(shí)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(shí)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。

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(gè)或某幾個(gè)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(jìn)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(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。目前，各種CAE模型的統(tǒng)一可視化實(shí)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(jìn)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。

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(jìn)行完整、準(zhǔn)確的仿真，除了需要單領(lǐng)域仿真外，還必須進(jìn)行多個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同仿真和綜合優(yōu)化，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可以對產(chǎn)品行為進(jìn)行全面的評估和分析．并使產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。多學(xué)科綜合優(yōu)化作為仿真過程的一個(gè)優(yōu)化環(huán)節(jié)。需要實(shí)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(qiáng)，相應(yīng)的對計(jì)算能力需求也越來越高，單處理器的運(yùn)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(jì)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。