協(xié)同仿真平臺建設

2013-08-05 by:廣州有限元培訓實踐中心來源:仿真在線

協(xié)同仿真平臺建設

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”。產品研制過程的信息化瞄準“數字”和“協(xié)同”兩個目標。以日新月異的網絡技術和計算機技術為基礎,采用產品數字化虛擬研發(fā)技術,重組企業(yè)產品研發(fā)流程,大力推行并行工程,組建產品研發(fā)和制造的網絡化虛擬環(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、制造的全數字化生產線。從而,企業(yè)可以非常方便地進行數字化工程的統(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)的智力資產得到完美的融臺。

傳統(tǒng)的產品研制,都是以試驗的方式對設計方法和產品進行驗證,以確保產品的性能。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,產品的研制周期長,研制成本高。CAE仿真技術的產生之后,可以通過CAE技術完成部分物理試驗無法完成的產品性能分析工作。但是仿真只是作為產品檢驗的手段,沒有真正成為產品設計的一個必要階段,只能在產品設計的后期,甚至產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,仿真已經融入產品的設計過程,成為產品設計的一部分。通過仿真不僅能在產品設計后期進行設計性能校核,同時在產品試驗前期通過虛擬仿真模擬實驗結果,指導產品物理試驗,并在產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)產品研制仿真應用中期階段,虛擬仿真仍然只是作為產品檢驗的工具對產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,從而在產品設計階段就可以對產品進行全面的評估和分析?；诜抡婕夹g在企業(yè)產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,數字化、協(xié)同化、知識化的協(xié)同仿真時代已經到來。數字化、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,導致該生產線上的操作人員在學習使用、技術交流、數據共享、多場耦合分析等方面的諸多問題,設計與仿真數據的不同源現(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)產品研發(fā)帶來了巨大經濟效益,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,加強仿真數據和流程的管理,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,管理仿真數據、流程、軟件資源和任務調度工具,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,推動產品研發(fā)走向成功。

企業(yè)建立協(xié)同的目標是,通過對產品研發(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,組建一個基于網絡的產品研制虛擬仿真團隊,基于產品虛擬仿真樣機,實現(xiàn)產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、數據在這個統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作,各類數據之間的交流,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,并對仿真數據進行有效管理,從而構建以任務驅動的協(xié)同仿真平臺系統(tǒng)。基于該平臺系統(tǒng)的建設目標,平臺建設內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)境包括仿真數據管理及仿真流程管理兩個子模塊。仿真數據管理子模塊提供專業(yè)的仿真數據管理服務器,保證數據集中管理,減少大量查找仿真數據的時間,快速獲取數據,積累、重用仿真歷史數據,保護企業(yè)知識產權。
    仿真數據及知識管理系統(tǒng)建設內容主要包括以下幾部分:數據基本操作、數據信息處理、第三方軟件接口、數據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、參數化及參數管理、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、參數化及參數管理、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、數據異構問題,實現(xiàn)仿真工具和數據的協(xié)同;多人應用模式主要解決各仿真科室內部仿真人員之間和資源的協(xié)同問題,提供科室內自動化的工作流程,同時實現(xiàn)各分析人員間仿真模型和數據的共享;企業(yè)應用模式主要解決企業(yè)內仿真部門間區(qū)域分散的問題,提供網絡分布式集成封裝機制,跨區(qū)域的仿真任務流程和數據管理,實現(xiàn)企業(yè)內仿真分析過程的規(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成為了各大企業(yè)中設計新產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/產品的設計質量,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不可同日而語,隨之而來也誕生了數以百計的CAE軟件。種類繁多的CAE軟件為人類探索未知提供了工具,CAE軟件已經逐漸的被更多的工程人員所接受,在CAE軟件中進行著產品的仿真、分析與優(yōu)化,同時工程和產品的自主創(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 技術輔助對產品進行設計并建立相應的數字化模型以支持先進的制造技術,從本質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,縮短了產品開發(fā)周期,減少了成本。
    2.3 能力條件
    經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)范和經驗,并且經過多年的產品研發(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據管理、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,產生海量的仿真流程數據、中間數據、模型數據、仿真數據、文檔數據等。協(xié)同仿真平臺管理仿真過程中產生的數據,包括模型、報告、結果等各類型的異構數據。仿真數據管理技術,能夠對海量異構的仿真數據進行集中、高效與統(tǒng)一的管理,實現(xiàn)數據的重用性和可追溯性,制定統(tǒng)一的數據標準與規(guī)范。產品的仿真過程,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用基于最佳實踐的產品仿真流程。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,通過計算機網絡把每個任務節(jié)點相關的不同數據和信息,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,同時數據屬性隨文件傳送,可以在平臺中確認數據更新狀態(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、流程與數據的潛能,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能狀態(tài);三是將仿真引入到企業(yè)產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。基于協(xié)同仿真平臺,企業(yè)原本離散的仿真技術、數據、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、仿真數據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,加速產品研發(fā)設計的速度,降低產品研發(fā)成本。