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60年代初誕生至今，已經(jīng)歷了半個世紀，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、機械、土木、石油、電子、消費品等等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的實踐?，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)和流程進行有效管理，同時在人員之間建立有效的協(xié)作，進而讓仿真為產(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)，對應不同的分析結(jié)果。目前數(shù)據(jù)主要存放在個人計算機上，效率低下、數(shù)據(jù)維護困難、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、設計/仿真/試驗之間存在大量“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)品模型的對應關(guān)系，是CAE技術(shù)深化應用必須解決的問題。

2）仿真流程和方法不能有效地共享，很難實現(xiàn)知識的積累和重用

同樣的產(chǎn)品模型，應用同樣的CAE軟件，但不同的分析工程師，由于知識和經(jīng)驗的差異，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，實現(xiàn)對虛擬仿真知識的捕捉和重用，如何將經(jīng)驗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)缺乏審計和跟蹤

對產(chǎn)品進行虛擬仿真涉及到十分復雜的流程，而應用單一的CAE產(chǎn)品，需要手工管理仿真流程，導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)缺乏審計和跟蹤。如何實現(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)各個學科仿真的需求動態(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用

當前，主要是各種軟件的單點應用，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)進行建模與仿真過程的標準化和知識積累；同時，單點工具之間大量的數(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

在進行多種設計方案權(quán)衡研究時，工程師常需花費較多時間精力對多個設計方案、多種工況的分析結(jié)果手動進行對比篩選，并撰寫對比報告。建立多方案多工況對比能力以及對比報告生成機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)果很難用于設計優(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。

仿真流程的管理

項目研發(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)驗和規(guī)范以及仿真人員集成在一起，實現(xiàn)整個過程的協(xié)同、標準化和規(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

某一項目的仿真工作常常涉及多個學科的數(shù)據(jù)協(xié)同，在查看已有分析結(jié)果時，無法了解其前端建模過程中相應階段的輸入輸出，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大量時間精力(電話，會議，線下交流等方式)來人為追溯其分析過程。

學科工具軟件集成應用

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，在多學科耦合計算和優(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手動工作、人為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此學科工具應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)集成應用以構(gòu)建整體研發(fā)平臺

為實現(xiàn)設計/分析/試驗的業(yè)務系統(tǒng)，消除PDM/TDM系統(tǒng)造成的信息孤島，加強仿真分析在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的應用，需要與現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)、TDM系統(tǒng)等實現(xiàn)資源共享，并通過HPC調(diào)度，實現(xiàn)解算效率的提升。

仿真數(shù)據(jù)與流程管理的獨特之處

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：

（1）仿真結(jié)果文件容量大，單個計算結(jié)果高達幾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。

這些獨特的特點決定了仿真數(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，一是因為其管理難度大，二是因為一般企業(yè)的仿真業(yè)務由專業(yè)的團隊來承擔，范圍比較小，仿真數(shù)據(jù)管理的需求相對CAD設計數(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設計數(shù)據(jù)進行管理，需要與CAD系統(tǒng)進行集成，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)一的標準，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霂缀文Ｐ?。建立CAE模型、設定載荷和邊界條件、啟動求解器進行分析、生成報告等），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節(jié)點與該節(jié)點的工具（模塊）、數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)和交互，并能實現(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，同時還可以將仿真的規(guī)范和標準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)可視化是指對某個或某幾個數(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)人員對模型的改進和優(yōu)化提供依據(jù)。目前，各種CAE模型的統(tǒng)一可視化實現(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）多學科協(xié)同仿真和綜合優(yōu)化

為了對產(chǎn)品性能進行完整、準確的仿真，除了需要單領(lǐng)域仿真外，還必須進行多個領(lǐng)域的協(xié)同仿真和綜合優(yōu)化，從而在產(chǎn)品設計階段就可以對產(chǎn)品行為進行全面的評估和分析．并使產(chǎn)品的優(yōu)化設計成為可能。多學科綜合優(yōu)化作為仿真過程的一個優(yōu)化環(huán)節(jié)。需要實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)管理平臺與多學科優(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，復雜性增強，相應的對計算能力需求也越來越高，單處理器的運算能力已經(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)中應用高性能的并行仿真計算平臺。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。