整車進排氣系統仿真自動化平臺設計與實現

李華

（泛亞汽車技術中心有限公司）

在汽車開發過程中，需要對進、排氣2個系統進行很多輪次的虛擬仿真，而虛擬仿真流程復雜且每步都需要進行人工操作，會耗費大量的人力資源。常規的人工處理虛擬仿真技術已經無法很好地滿足當前快速研發的需求和汽車工業的核心發展趨勢。國內航空、計算機和建筑領域在近幾年出現了一些和自動化平臺相關的研究[1-5]。文獻[2]中初步實現了航空領域的CFD軟件的自動測試，文獻[5]在信息技術領域對數據中心進行自動化部署。基于此，文章設計了整車進排氣系統虛擬仿真自動化分析平臺。該平臺符合汽車行業的發展趨勢，在保證產品開發質量的同時節約了開發過程中所耗費的大量人力資源，提高了開發效率。

1 平臺方案設計

1.1 平臺功能

文章設計的整車進排氣系統虛擬仿真自動化分析平臺（以下簡稱平臺）主要對汽車進排氣系統在開發過程中的虛擬仿真分析實現自動化，即輸入起始文件之后自動生成分析報告并自動發郵件通知用戶，用戶可隨時隨地通過網頁瀏覽并下載分析報告。

該平臺中進氣系統主要分析速度和壓降2個方面；排氣系統主要分析速度、壓降和溫度3個方面。用戶在進行虛擬分析時，結合不同的情況會有不同的起始文件需求。本平臺允許虛擬仿真分析的4種起始點分別為：面網格文件（*.hmascii）、體網格文件（*.msh）、CASE文件（*.cas）和Cas/Dat（*.cas/*.dat）文件，不同的輸入形式都可以獲得同樣的分析結果。

本平臺同時支持本地工作站計算和服務器計算2種計算方式。它會將用戶所提交的虛擬仿真分析任務存入后臺數據庫，并對所有虛擬仿真分析任務進行統一管理，允許用戶隨時隨地通過網頁查找數據、查閱報告，且對不同的項目數據進行對比，形成固定格式的對比報告。

1.2 平臺框架

本平臺基于互聯網技術搭建，平臺部署在Linux服務器上，終端用戶可通過本地PC上的網絡瀏覽器訪問平臺，進行虛擬仿真分析。本平臺的框架搭建分為專業仿真模塊、基礎資源系統模塊和框架基礎功能模塊三部分，如圖1所示。

圖1 整車進排氣系統仿真平臺基本框架

專業仿真系統由各仿真計算模塊構成，即整車進氣和排氣系統仿真模塊，專業仿真模塊都有專業的應用界面，引導用戶快速完成仿真計算過程；基礎資源系統主要是對各個專業模塊進行后臺數據的維護和保存，主要有車型平臺、仿真材料、計算工況等基礎庫；框架基礎功能模塊包括系統管理、任務管理和個人工作臺三部分，該模塊已經考慮了后續專業仿真模塊的可能擴展方向，采用統一標準，柔性設計，具有較強的兼容性。

1.3 執行流程

用戶通過Web網頁登陸進入平臺后，選擇所需要的系統及相應車型平臺參數并創建分析任務，選擇相應的計算起始點，之后上傳相應的輸入文件，設置相應的邊界條件參數和計算參數，選擇計算方式，最后提交任務。如果選擇服務器端計算方式，則直接進行后續計算、后處理及自動生成報告，并通過郵件通知用戶計算完成；如果選擇本地工作站計算方式，則下載相關文件到用戶本地電腦自動執行run.bat文件，后續直接自動進行計算和生成結果。計算完成后將結果數據通過網頁再上傳到服務器，會自動生成分析報告。

整個平臺的執行流程，如圖2所示。

圖2 整車進排氣系統仿真平臺執行流程截圖

1.4 平臺部署環境

本平臺同時考慮了服務器和客戶端2種計算情況。當用戶創建完項目后，可選擇在服務器進行計算，或者下載到用戶的個人工作站進行計算。采用這種方式給予了用戶更多的選擇空間，同時也提高了個人工作站的資源利用效率。

服務器端部署的環境為：Linux Redhat6.5操作系統；Tomcat/Apache Web服務器；MySQL數據庫系統；HTML/JAVA/CSS/SHELL開發語言；LiberOffice軟件；Fluent18.0計算軟件。服務器的硬件最低配置為：64 G內存，24個CPU核以及1 T的硬盤資源。

客戶端的操作系統可以為WIN7或者WIN10，瀏覽器建議為IE11.0或者Google，目前考慮的最佳分辨率范圍為1 600×900～1 920×1 200，其兼容了筆記本和工作站的分辨率范圍。

2 數據庫設計

MySQL是一種開放源碼的關聯數據庫管理系統，采用標準化語言訪問數據庫，具備體積小、速度快等特點。基于以上特點，本平臺采用MySQL作為后臺數據庫，對存儲用戶信息、角色權限、計算文件和結果文件等信息進行統一管理，一共有57張數據表，如圖3所示。

圖3 MySQL數據庫表顯示界面

限于篇幅，文章列舉主要的數據庫表進行解釋。

1）用戶信息表：主要包含用戶賬戶、真實姓名、密碼、電話、郵箱、所屬部門、權限角色等信息，其中郵箱信息用于計算完成時通過郵箱通知用戶。

2）車型平臺信息列表：車型平臺信息主要包含平臺名稱、車型名稱、車型年份、發動機、變速箱、驅動形式、左右駕及項目節點共8個字段信息，其中平臺名稱和車型名稱之間是相關聯的。

3）任務信息表：主要包含任務ID、名稱、所屬模塊、狀態、用戶、開始時間、結束時間、結果文件及log信息等。其中任務狀態有已創建、已提交、計算中和已完成4種，計算過程的信息可以點擊log文件進行查看。

4）進排氣系統基礎邊界條件表：主要有進排氣系統的體網格和面網格的邊界條件設置。其中體網格主要包含了體網格類型和材料；面網格包含了進口邊界條件、出口邊界條件及壁面邊界條件等設置。

5）權限角色表：本平臺對每一個專業模塊和基礎數據庫模塊都進行了權限管理。只有當用戶被賦予某個模塊的管理員角色時，該用戶才有權進行該模塊的后臺數據管理。

6）材料參數表：主要有固體材料參數表和流體材料參數表，分別記錄了在進排氣分析中所需要用到的所有材料的相關參數。

本平臺通過標準的SQL語言，可以對各個數據表執行查詢、添加、刪除的操作。

3 網頁界面設計

本平臺基于IE瀏覽器登錄，用戶通過登錄頁面輸入正確的用戶名、密碼和驗證碼后進入主界面。主界面的左側為導航欄，右側為導航欄相對應的頁面顯示區，如圖4所示。左側的導航欄主要有個人工作臺、仿真應用系統、仿真任務管理、仿真資源管理、系統管理共五部分。點擊每個導航按鈕，可以進入各功能模塊對應的主界面，每個部分的頁面見3.1～3.5節。

圖4 整車進排氣系統仿真個人工作臺頁面

3.1 個人工作臺

個人工作臺頁面，如圖4所示，主要由個人任務信息、任務統計信息和系統公告信息三部分組成。

1）個人任務信息：顯示當前登陸用戶提交且完成的最新的5條任務，點擊查看結果可以跳轉到分析任務的結果頁面。

2）任務統計信息：顯示起始和終止時間段內各個分類的任務數量，選擇起止時間和分類種類后可查看任務數量。分類種類主要有計算狀態（已創建、計算中、已終止和已完成）、計算方式（本地、服務器和PBS）和計算模塊（整車進氣系統和整車排氣系統）3種。

3）系統公告信息：在當前用戶的角色權限或者數據被更高級別的用戶修改后，相關的信息會在該處顯示，提示用戶相關的更改信息。

3.2 仿真應用系統

仿真應用系統頁面是各個專業分析模塊的入口頁面，用戶根據被賦予的權限可以進入到相應的模塊中。

當用戶將鼠標定位到各個專業模塊時，每個模塊下面的說明會自動彈出，讓用戶對該專業模塊有直觀的了解。整車進排氣系統仿真應用系統頁面，如圖5所示。若用戶沒有該模塊的權限，點擊該模塊會提示沒有權限進入。頁面過5 s后會自動返回之前的頁面。

圖5 整車進排氣系統仿真應用系統頁面

3.2.1 整車進氣系統

點擊底盤進氣系統模塊進入到該專業仿真模塊，其完整的流程包括創建任務、體網格生成、邊界條件設置、計算求解設置、計算結果顯示5步。限于篇幅，文章只顯示計算結果顯示的頁面，如圖6所示。

圖6 整車進氣系統計算結果顯示頁面

3.2.2 整車排氣系統

點擊底盤排氣系統模塊進入到該專業仿真模塊，其完整的流程包括創建任務、體網格生成、材料模型設置、邊界條件設置、計算求解設置、計算結果顯示6步。限于篇幅，文章只顯示計算結果顯示的頁面，如圖7所示。

圖7 整車排氣系統計算結果顯示頁面

3.3 仿真任務管理

仿真任務管理頁面對任務的處理有如下功能：復制、刪除、停止、恢復、上傳、刷新、搜索、分頁條和任務顯示，如圖8所示。

圖8 整車進排氣系統仿真任務管理頁面

復制：只復制任務數據，不復制計算結果，新復制的任務狀態為已創建；刪除：主要用于刪除不必要的任務，已提交和已創建狀態的任務不能刪除；停止：計算中的任務可以點擊停止按鈕來停止任務；恢復：對已停止的任務點擊恢復按鈕可使任務重新開始計算；上傳：當本地計算完成后，選擇該任務并點擊上傳按鈕，可以將本地的計算結果上傳到服務器中，用于后處理和報告生成；刷新：更新所有的任務狀態；搜索：在搜索框輸入要搜索的內容，點擊搜索對任務列表進行過濾，可以對任務ID、任務名稱、所屬模塊、任務狀態、計算方式及創建人進行搜索；分頁條：每頁顯示的條目有5，10，20，30，50 條，共 5 種選擇，且可以跳轉到任意頁面，點擊相應的頁面數據也可以跳轉到對應的頁面。

3.4 仿真資源管理

仿真資源管理是針對各個專業仿真模塊所需要的后臺數據進行管理。目前主要有車型平臺庫、仿真材料庫和基礎數據庫，如圖9所示。每個仿真資源庫都支持在頁面上進行數據的添加、刪除和更新操作。這樣便于管理員進行數據的管理和維護。

圖9 整車排氣系統仿真資源管理頁面

3.4.1 車型平臺庫

車型平臺信息有平臺名稱、車型名稱、車型年份、發動機名稱、變速箱、驅動形式、左右駕、項目節點共8個字段。

3.4.2 仿真材料庫

仿真材料庫是針對各個專業仿真模塊所需要用到的材料進行管理。可以根據文件導入導出進行材料庫的信息更新。當前材料庫主要有流體材料和固體材料。流體材料參數主要有：材料編號、名稱、密度計算方法、密度、比熱容、導熱系數和粘性系數；固體材料參數主要有：材料編號、材料名稱、密度、比熱容和導熱系數。

3.4.3 基礎數據庫

基礎數據管理按照每個專業仿真模塊所涉及到零件的邊界條件進行分類和管理，包括計算分析的體網格類型和面網格的邊界條件類型和參數。

3.5 系統管理

系統管理是針對整個系統的用戶角色和用戶信息進行管理。本平臺對于每個使用的系統都進行了權限的設置，根據用戶使用權限的不同進行角色區分；用戶管理是對于已建立的用戶信息進行管理，主要管理的信息為用戶賬戶、用戶密碼、確認密碼、真實姓名、電話號碼、電子郵箱、所屬部門、用戶角色信息，并上傳用戶頭像。

4 平臺應用

4.1 平臺結果驗證

本平臺搭建完成之后，需要對計算出來的結果進行準確度校正，以保證平臺自動化分析的結果和人工手動分析出來的結果一致。為此，文章對比了進氣和排氣系統的分析結果，限于篇幅，僅列出少部分零件結果，如表1所示。

表1 整車排氣系統結果比較

在對比的分析工況中，平臺和人工計算的起始文件（面網格）和計算輸入都是一致的。從表1可以看出，平臺分析得出的結果和人工手動分析的結果完全一致，說明本平臺的分析結果是可靠的。

4.2 平臺收益

整車進排氣CAE分析流程主要有幾何生成面網格、體網格生成、邊界條件設置、機器計算、后處理及報告生成6個過程，其中的計算過程由機器完成，其余均需要手動介入，其各自的過程占整個過程的時間比例，如圖10所示。本平臺已經完成了需人工介入的5個過程的自動化，使其可全部由計算機完成，自動化后，人工所占的比例將由之前的80%降低至25%。

圖10 整車進排氣系統每步虛擬分析流程時間占比

5 結論

本平臺實現了從面網格到報告的全自動生成，部署在B/S架構，方便軟件的安裝和用戶的使用，初步實現了虛擬仿真的移動辦公。平臺以用戶的使用需求出發，頁面設計和仿真模塊劃分清晰，用戶操作簡單便利。平臺的計算結果與人工的結果完全一致，結果可靠，從而節約了人力資源，并便于數據統計和查詢。平臺創建了MySQL數據庫表、管理平臺，自動統計分析任務的相關數據，各仿真模塊的分析數據互聯互通，實現了虛擬仿真技術經驗的傳遞并且為將來的大數據、智能計算、多學科互聯優化的開發打下了基礎。