面向汽車的有限元高性能計(jì)算協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

周愛國(guó)，陸 亮，王聞莉，周治平，高衛(wèi)民，戴 軼

ZHOU Ai-guo1, LU Liang1, WANG Wen-li1, ZHOU Zhi-ping1, GAO Wei-min2, DAI Yi2

（1. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804；2. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，上海 201804）

0 引言

整車零部件的有限元分析是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)極其重要的內(nèi)容，它涉及到車輛動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真等多學(xué)科的綜合知識(shí)，這些關(guān)鍵技術(shù)在汽車產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的有效使用，是縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本的有效途徑。基于Web的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境正好滿足其要求，CSCW(Computer Supported Cooperative Work)協(xié)同設(shè)計(jì)的運(yùn)用，使設(shè)計(jì)者采用群體工作的方式，從而不同程度地改善了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中項(xiàng)目管理與設(shè)計(jì)之間以及不同設(shè)計(jì)階段之間的脫節(jié)，使不同地點(diǎn)的管理人員、設(shè)計(jì)人員以及用戶等都能同步或異步地參與設(shè)計(jì)工作，從而提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率[1]；而通過Web平臺(tái)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，以最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)汽車零部件與整車的有限元分析工作[2]。

本文提出的基于Web的高性能計(jì)算協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，主要針對(duì)汽車關(guān)鍵零部件的大規(guī)模數(shù)值計(jì)算有限元分析，借助于已經(jīng)建立的公共計(jì)算服務(wù)中心，目的在于為汽車產(chǎn)品的協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供一個(gè)良好的開發(fā)環(huán)境。

1 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)體系規(guī)劃

協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)施是以劃分出一系列子任務(wù)為基礎(chǔ)，各個(gè)設(shè)計(jì)小組承擔(dān)不同的子任務(wù)[3]。協(xié)同設(shè)計(jì)的體系圖如圖1所示。

圖1 協(xié)同設(shè)計(jì)體系圖

該平臺(tái)采用B/S三層架構(gòu)，平臺(tái)由用戶端協(xié)作層、服務(wù)器層、數(shù)據(jù)庫支撐層組成。最上層為協(xié)作層，由若干個(gè)設(shè)計(jì)小組構(gòu)成，每個(gè)小組承擔(dān)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，通過信息的交流完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

服務(wù)器端主要實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限判斷和功能設(shè)計(jì)、沖突消除、以及用戶共享數(shù)據(jù)庫的管理。服務(wù)器層的這些功能通過ASP.NET的編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)面向協(xié)同小組組員的程序通過HTML,ASP.NET,C#，XML來實(shí)現(xiàn)，面向數(shù)據(jù)庫的部分程序通過ADO.NET與數(shù)據(jù)庫連接。

該平臺(tái)采用SQLserver2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的存取，同時(shí)觸發(fā)器和存儲(chǔ)過程可以執(zhí)行部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)，這減輕了程序設(shè)計(jì)任務(wù)。根據(jù)平臺(tái)的需要，數(shù)據(jù)庫可劃分為：

1）用戶資料數(shù)據(jù)庫：存放用戶的基本信息；

2）用戶角色管理數(shù)據(jù)庫：存放用戶角色信息及權(quán)限，角色由管理員賦值，在賦予用戶角色的同時(shí)也決定了用戶的權(quán)限；

3）角色行為數(shù)據(jù)庫：記錄用戶所擁有角色在任務(wù)完成過程中的操作行為，以便解決沖突時(shí)的回溯；

4）資料信息數(shù)據(jù)庫：存放設(shè)計(jì)常用的參考數(shù)據(jù)資料，以及已有的汽車零部件的CAD、CAE資料；

5）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫：儲(chǔ)存各協(xié)同小組所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的具體參數(shù)。

2 協(xié)同平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可以劃分4大模塊：基本公共模塊，中心設(shè)計(jì)模塊，學(xué)科設(shè)計(jì)子模塊，以及應(yīng)用程序模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

4個(gè)子模塊都需要數(shù)據(jù)庫的支持，且?guī)讉€(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交換都要通過這幾個(gè)數(shù)據(jù)庫為中介。

3 子模塊設(shè)計(jì)分析

3.1 基本公共模塊

基本公共模塊由訪問安全性管理、公告管理、用戶管理、資料管理構(gòu)成。

在現(xiàn)代企業(yè)管理中，機(jī)密越顯重要，用戶需要登錄以該平臺(tái)為依托的網(wǎng)站才可以獲取各種信息。因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的訪問都要通過訪問安全管理，它用于控制用戶進(jìn)入系統(tǒng)和進(jìn)系統(tǒng)后的相關(guān)權(quán)限，具體包括：用戶注冊(cè)、用戶登錄。圖3所示為登陸平臺(tái)的整體流程圖。

公告欄是平臺(tái)的門戶，用戶登錄系統(tǒng)后通過公告欄看到當(dāng)前任務(wù)和版本更新通知，能否發(fā)布告由用戶的角色權(quán)限決定。

圖3 平臺(tái)登陸流程圖

登陸該平臺(tái)的用戶，可通過用戶管理模塊查看自己當(dāng)前的角色和權(quán)限，當(dāng)用戶的職位、所在部門等基本資料發(fā)生變化時(shí)，通過此模塊可進(jìn)行修改并保存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中。

資料管理中包含三類資料：公共資料，CAD資料，以及CAE資料。公共資料面向于全部協(xié)同設(shè)計(jì)成員，其存儲(chǔ)各種類型的公開性文件，如機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。CAD資料分為汽車零部件的二維圖、三維圖兩大類。為了便于設(shè)計(jì)者快速查找，每一類中零件模型按照整車結(jié)構(gòu)分為以下幾大類：發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)，行駛系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及制動(dòng)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)再通過命名與編號(hào)的方式進(jìn)行詳細(xì)分解。不同小組的設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際需要，直接調(diào)用模型，達(dá)到資源重復(fù)利用的目的。CAE數(shù)據(jù)庫用來儲(chǔ)存CAD數(shù)據(jù)庫中三維模型的有限元分析結(jié)果，如車身、底盤、懸架系統(tǒng)、和車輪等主要零部件的動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)、應(yīng)力、熱傳導(dǎo)分析結(jié)果，各部分零件的分析結(jié)果采用與上述CAD文件相似的方法進(jìn)行統(tǒng)一分類。這些CAE數(shù)據(jù)為進(jìn)一步的研究，如汽車零部件疲勞壽命耐久性分析，操縱穩(wěn)定性分析，行駛平順性分析等提供參考數(shù)據(jù)。

3.2 中心設(shè)計(jì)模塊

中心設(shè)計(jì)模塊是該平臺(tái)的重要環(huán)節(jié)，它包括任務(wù)管理和角色管理。

3.2.1 任務(wù)管理

1）任務(wù)的工作流管理技術(shù)

平臺(tái)的任務(wù)管理主要指管理員對(duì)汽車有限元協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)的劃分和監(jiān)控，任務(wù)的劃分是基礎(chǔ)，任務(wù)的監(jiān)控是核心。該平臺(tái)的一大特點(diǎn)就是在CSCW中融入了工作流技術(shù)。

工作流管理聯(lián)盟（Workflow Management Coalition,WfMC) 將工作流定義為，業(yè)務(wù)過程的全部或部分自動(dòng)化，在此過程中，按照一系列過程規(guī)則，文檔、信息或任務(wù)在不同的執(zhí)行者之間傳遞與執(zhí)行。使用工作流可以使應(yīng)用邏輯與它的信息支撐系統(tǒng)相分離，不修改具體功能模塊實(shí)現(xiàn)方式而通過修改過程模型來改進(jìn)系統(tǒng)[4]。CSCW的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)的通信能力，達(dá)到各個(gè)工作方面的通信、交流、協(xié)同工作,而有了工作流技術(shù)作為支撐，可以更好的協(xié)調(diào)有限元分析過程中各個(gè)方面的關(guān)系[5]。

圖4為該協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的總體工作流程，系統(tǒng)采用調(diào)度方式與觸發(fā)方式來實(shí)現(xiàn)工作流引擎的過程，其中調(diào)度方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，其他功能則通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。

管理人員創(chuàng)建新項(xiàng)目后，進(jìn)行任務(wù)分配，確定小組負(fù)責(zé)人，結(jié)果顯示在路由節(jié)點(diǎn)圖上，并發(fā)布信息，通知具有權(quán)限的小組負(fù)責(zé)人領(lǐng)取任務(wù)。負(fù)責(zé)人領(lǐng)取任務(wù)后，再將任務(wù)分配給組員。組員領(lǐng)取任務(wù)，可以查看整個(gè)任務(wù)的安排情況，及與自己任務(wù)相關(guān)的用戶，在設(shè)計(jì)時(shí)利用公告欄，聊天室等協(xié)同工具及時(shí)進(jìn)行溝通。任務(wù)完成的情況全部記錄在監(jiān)控表上，管理人員可以通過查看監(jiān)控表上的記錄實(shí)現(xiàn)進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)路由表上任務(wù)分配流程的動(dòng)態(tài)修改，及歸檔處理等。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程呈現(xiàn)出：強(qiáng)規(guī)律性、強(qiáng)時(shí)序性、強(qiáng)邏輯性、強(qiáng)反復(fù)性。

圖4 基于工作流的任務(wù)管理流程圖

2）設(shè)計(jì)中沖突的消解

在汽車零部件有限元分析協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，由于各協(xié)同小組成員的專業(yè)知識(shí)不同，每一個(gè)環(huán)節(jié)中的任務(wù)要求不同，缺乏共同的知識(shí)表達(dá)方法，以及在完成局部設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使自己的目標(biāo)值取最優(yōu)，較少也較難考慮到其它領(lǐng)域的目標(biāo)等原因，沖突是協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須面臨的問題，協(xié)同設(shè)計(jì)的過程就是一個(gè)沖突產(chǎn)生和消解的過程[6]。

該平臺(tái)利用任務(wù)管理中的任務(wù)批注和任務(wù)歷史記錄進(jìn)行沖突消除。任務(wù)往前推進(jìn)，有不同設(shè)計(jì)版本出現(xiàn)時(shí)，管理員審批通過后，會(huì)在任務(wù)批注欄注明版本更新通知，并發(fā)布公告，任務(wù)歷史記錄數(shù)據(jù)庫中就記錄了不同設(shè)計(jì)人員的不同版本，這時(shí)就需要消解沖突。相關(guān)人員看到更新公告后，先人工進(jìn)行沖突檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新版本與自己的設(shè)計(jì)相符合則設(shè)置該版本有效,如不符合即與設(shè)計(jì)者協(xié)商討論，如果協(xié)商成功，則沖突解決，否則沖突將提交到小組負(fù)責(zé)人處，由小組負(fù)責(zé)人仲裁，如果小組負(fù)責(zé)人無法仲裁則提交項(xiàng)目管理員。無沖突或已經(jīng)解決沖突的版本為有效版本，無效版本由管理員刪除。

3.2.2 角色管理

該平臺(tái)采用基于角色的訪問控制技術(shù)RBAC，RBAC即權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，用戶通過被授予若干角色而獲得相應(yīng)權(quán)限。管理員根據(jù)組織中的職能分工創(chuàng)建角色，同時(shí)根據(jù)責(zé)任和資格授予用戶相應(yīng)角色，通過分配和撤銷授予用戶的角色來完成用戶權(quán)限的授予和撤銷[7]。

引入角色這個(gè)中介,安全的管理就可以根據(jù)需要來定義角色,并設(shè)置合適的訪問權(quán)限,而用戶根據(jù)其責(zé)任和權(quán)利被指派為不同的角色。整個(gè)訪問控制過程就被分成了兩部分：訪問權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián),角色再與用戶相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了用戶與訪問權(quán)限的邏輯分離[7]。RBAC極大地方便了權(quán)限的管理，如果用戶的職位與任務(wù)發(fā)生了變化,只要將用戶當(dāng)前的角色去掉加入代表新的職務(wù)或任務(wù)的角色即可。在該平臺(tái)中，每一部分的功能都被設(shè)定了相應(yīng)的權(quán)限要求，只有擁有權(quán)限才能使用，所有權(quán)限要求統(tǒng)一放在權(quán)限管理部分。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用戶與權(quán)限的分離管理，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

3.3 學(xué)科設(shè)計(jì)子模塊

學(xué)科設(shè)計(jì)子模塊完成小組管理與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理，其主要針對(duì)各協(xié)同設(shè)計(jì)小組。

汽車零部件的復(fù)雜性與多樣性決定了協(xié)同設(shè)計(jì)人員的多樣性，為了便于不同小組的管理，平臺(tái)采用了協(xié)同設(shè)計(jì)小組分類管理的方法。小組成員通過小組管理模塊可知道自己所在的協(xié)同小組，且當(dāng)有新任務(wù)公告發(fā)布時(shí)，小組成員根據(jù)管理員指示申請(qǐng)加入指定的小組，等待管理員審批，此舉使管理員對(duì)整個(gè)任務(wù)安排實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分類管理，具體包括CAD二維數(shù)據(jù)、CAD三維數(shù)據(jù)、CAE前處理數(shù)據(jù)、CAE后處理數(shù)據(jù)、仿真文件，每一類文件同時(shí)又按所屬項(xiàng)目、上傳時(shí)間、零部件類型、上傳人進(jìn)一步分類，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有序性與層次性。小組成員可以根據(jù)自己相應(yīng)的權(quán)限進(jìn)行查詢、下載其他相關(guān)小組的數(shù)據(jù)結(jié)果，利用平臺(tái)中的協(xié)同工具及時(shí)進(jìn)行溝通，達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)的目的。

3.4 應(yīng)用程序模塊

該協(xié)同平臺(tái)主要面向于汽車主要零部件的有限元分析，需要用到FLUENT、NASTRAN、DYNA等大型有限元數(shù)值分析軟件，大規(guī)模的計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)的需求較高，而且涉及到大量并行計(jì)算問題。為了盡可能的提高有限元分析的解算速度，該平臺(tái)的另一大特點(diǎn)就是建立了高性能計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)了與企業(yè)高性能計(jì)算平臺(tái)的鏈接，對(duì)有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一排隊(duì)計(jì)算，有效地利用超級(jí)計(jì)算機(jī)的CPU、監(jiān)測(cè)并優(yōu)化其使用率。

需要提交數(shù)據(jù)計(jì)算的小組成員首先新建工程，然后根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品計(jì)算量的大小，并通過上傳待計(jì)算文件欄觀察到的各主機(jī)的使用情況，選擇主機(jī)，填寫所需內(nèi)存與CPU個(gè)數(shù)，最后將需要計(jì)算的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提交到計(jì)算服務(wù)中心，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的權(quán)限優(yōu)先級(jí)排隊(duì)等候。計(jì)算中心對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，用戶可以在進(jìn)度表中看到計(jì)算的完成情況，當(dāng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，則可以進(jìn)行相應(yīng)的下載。該模塊有效地利用了高性能計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程高效計(jì)算，大大提高了計(jì)算效率。

應(yīng)用程序模塊中還包括各種CAD、CAE軟件，如UG,CATIA,ADAMS，ANSYS等，通過該模塊可以方便于系統(tǒng)用戶快速打開本地的應(yīng)用程序。而在線聊室，則方便了分布較遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)者及時(shí)的溝通，有利于方案的共享、比較和優(yōu)化，減少了因重復(fù)設(shè)計(jì)，造成人力資源浪費(fèi)。

4 基于Pave路譜的整車耐久分析

基于Pave路譜的整車耐久分析是通過有限元方法，對(duì)汽車在路面行駛時(shí)各部分零件的應(yīng)力分布情況進(jìn)行有限元仿真分析。該項(xiàng)目通過此協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)提高了設(shè)計(jì)效率，達(dá)到縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本的目標(biāo)。

管理員登陸系統(tǒng)，建立項(xiàng)目，并安排工作流進(jìn)程統(tǒng)籌管理整個(gè)項(xiàng)目：1）對(duì)整車及路面進(jìn)行三維建模。2）對(duì)整車模型進(jìn)行有限元前處理。3）對(duì)路面模型進(jìn)行有限元前處理。4）對(duì)整體模型進(jìn)行有限元前處理并提交計(jì)算。5）對(duì)整體模型進(jìn)行有限元后處理。整車設(shè)計(jì)小組可調(diào)用設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)庫中的汽車主要零件模型進(jìn)行建模，路面設(shè)計(jì)小組可查閱設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)庫中的公共文件，參考相關(guān)參數(shù)進(jìn)行路面建模，小組負(fù)責(zé)人審核通過后，繼續(xù)工作流。其它小組直接調(diào)用已建好模型進(jìn)行各自任務(wù)，同時(shí)，通過應(yīng)用程序模塊及時(shí)溝通。在涉及到解算處理時(shí)，相關(guān)的任務(wù)負(fù)責(zé)人通過高性能計(jì)算模塊提交有限元前處理模型至高性能計(jì)算中心。最后小組負(fù)責(zé)人對(duì)任務(wù)進(jìn)行審批，驗(yàn)收合格后將結(jié)果提交到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，項(xiàng)目流程如圖5所示。

圖5 基于Pave路譜的整車耐久分析在平臺(tái)的工作流程

5 結(jié)論

面向汽車關(guān)鍵零部件有限元分析的高性能計(jì)算協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，有效地利用了協(xié)同設(shè)計(jì)的理念，很好地解決設(shè)計(jì)者分布在較大的范圍內(nèi)，溝通不便，而造成人力資源浪費(fèi)的問題。B/S結(jié)構(gòu)，Web技術(shù)，以及數(shù)據(jù)資源管理技術(shù)的合理運(yùn)用，使多個(gè)關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)工作能協(xié)調(diào)高效地完成。工作流管理技術(shù)的概念的運(yùn)用，更加有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)督。同時(shí)，該平臺(tái)內(nèi)含有超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的鏈接，為CAE等需大量計(jì)算的設(shè)計(jì)工作提供了便利。在高知識(shí)含量的新產(chǎn)品為競(jìng)爭(zhēng)核心的新時(shí)代，該平臺(tái)符合了提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的要求。當(dāng)然為完善該平臺(tái)在各個(gè)模塊的功能還有許多工作要做，相信在不久該平臺(tái)必將更加完善。

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