仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法研究與應(yīng)用

許成偉 張小雯

一、引言

航空行業(yè)廣泛采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等技術(shù)。基于CAE技術(shù)的產(chǎn)品數(shù)字化仿真最早作為產(chǎn)品驗(yàn)證的手段而出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中。如今，因?yàn)樾吞?hào)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化和高速迭代等需求，仿真分析由于其可靠性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性，日漸成為開(kāi)發(fā)新機(jī)型的重要環(huán)節(jié)，并為航空研發(fā)企業(yè)提供了創(chuàng)新和應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的強(qiáng)大動(dòng)力。但是與此相伴而生的是任務(wù)協(xié)同、仿真流程管理和仿真數(shù)據(jù)管理的方法嚴(yán)重滯后，造成仿真分析方法千人千樣、仿真數(shù)據(jù)大量冗余和協(xié)同過(guò)程松散等問(wèn)題。這些問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

◎多個(gè)專業(yè)之間獨(dú)立進(jìn)行仿真分析，而且各專業(yè)使用的分析工具不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)也很難統(tǒng)一。數(shù)據(jù)在專業(yè)、部門(mén)和工具之間的傳遞主要通過(guò)人工操作進(jìn)行，不同工具之間還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過(guò)程效率低且效果差，數(shù)據(jù)質(zhì)量和及時(shí)性無(wú)法保證，不能滿足當(dāng)前多專業(yè)仿真數(shù)據(jù)管理的需要。

◎仿真分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分散保存在每個(gè)工程師的個(gè)人工作空間，沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃與管理，形成了數(shù)據(jù)孤島，這對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程的追溯、查詢以及后續(xù)的質(zhì)保和優(yōu)化等產(chǎn)生了較大的阻礙。

◎由于型號(hào)研發(fā)時(shí)間緊迫，研發(fā)任務(wù)繁重，往往會(huì)啟用大量年輕的仿真工程師以保證項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)，人員經(jīng)驗(yàn)的參差不齊使得許多成熟的仿真分析流程因?yàn)楣ぞ邞?yīng)用和個(gè)人分析的差異，導(dǎo)致了分析結(jié)果的差異性，制約了對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果性能的正確驗(yàn)證。

為解決以上問(wèn)題，亟需通過(guò)仿真流程和數(shù)據(jù)管理的方法研究和平臺(tái)建設(shè)，規(guī)范和統(tǒng)一產(chǎn)品性能驗(yàn)證的仿真分析流程，以保證驗(yàn)證結(jié)果的可信度與有效性。同時(shí)，需要將仿真分析過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，以保證數(shù)據(jù)的可控制、可查詢與可追溯性，從而全面提升型號(hào)設(shè)計(jì)的數(shù)字化性能仿真協(xié)同能力。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要從如下三個(gè)方向?qū)Ψ抡媪鞒毯蛿?shù)據(jù)管理的方法研究和平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行考慮和規(guī)劃：

◎讓仿真數(shù)據(jù)更直接地服務(wù)于飛機(jī)型號(hào)研發(fā)，從現(xiàn)有的仿真數(shù)據(jù)中快速高效地提取出對(duì)研發(fā)最有用的信息，是仿真存在的根本意義之一。要想真正縮短從概念到上市的周期，必須使仿真數(shù)據(jù)更易于抓取和解讀。

◎使以往的仿真數(shù)據(jù)服務(wù)于新型號(hào)的設(shè)計(jì)。因?yàn)楹娇招袠I(yè)日復(fù)一日的生產(chǎn)活動(dòng)有其延續(xù)性，積累的仿真知識(shí)日益豐富。如果能有效地將已有的仿真數(shù)據(jù)組織起來(lái)為未來(lái)的新產(chǎn)品提供借鑒，將大大提升企業(yè)的創(chuàng)新能力和靈活性。

◎更合理有效地組織仿真活動(dòng)，讓仿真分析人員更好地協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的知識(shí)共享和信息實(shí)時(shí)流動(dòng)，并將這一過(guò)程置于既嚴(yán)格又靈活的管理之下。

對(duì)于以上問(wèn)題，如果僅通過(guò)擴(kuò)展的PDM系統(tǒng)來(lái)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對(duì)于仿真過(guò)程及其海量仿真文件和數(shù)據(jù)缺乏有效的組織和管理，將很難適應(yīng)仿真分析人員的實(shí)際工作需要。對(duì)于龐雜的仿真數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，專業(yè)的仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法與平臺(tái)可以提供基于仿真分析流程的仿真數(shù)據(jù)的清晰管理和深度搜索，幫助仿真人員和企業(yè)將仿真流程和數(shù)據(jù)高效的管理起來(lái)，并形成企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)資產(chǎn)和知識(shí)積累，具有重要和長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

二、仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法

仿真流程和數(shù)據(jù)管理應(yīng)實(shí)現(xiàn)仿真分析流程控制和管理功能，將相關(guān)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提供數(shù)據(jù)接口以實(shí)現(xiàn)與工具軟件、高性能計(jì)算機(jī)以及其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成與交互，同時(shí)提供基礎(chǔ)的權(quán)限管理模型、數(shù)據(jù)檢索模型和數(shù)據(jù)組織交互模型，仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法及平臺(tái)原理架構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)建設(shè)中，通過(guò)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)在仿真共有數(shù)據(jù)上的協(xié)同，所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都進(jìn)行統(tǒng)一的版本和權(quán)限管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更改與維護(hù)，改變這些數(shù)據(jù)在目前狀況下各自收集和各自輸入的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的協(xié)同。

在仿真流程的規(guī)范與管理上，通過(guò)對(duì)成熟分析流程及相應(yīng)分析工具、流程更改以及結(jié)果報(bào)告生成等進(jìn)行模板化管理，以統(tǒng)一規(guī)范現(xiàn)有各專業(yè)仿真分析流程，盡量消除由于人為因素導(dǎo)致的產(chǎn)品性能驗(yàn)證方法多變和結(jié)果差異性較大等情況，形成統(tǒng)一可靠的仿真結(jié)果，以此來(lái)提升型號(hào)研制的仿真能力。

在提升型號(hào)質(zhì)量方面，通過(guò)對(duì)成熟專業(yè)全面引入多學(xué)科優(yōu)化分析來(lái)擴(kuò)大產(chǎn)品的設(shè)計(jì)探索空間，平衡各專業(yè)之間的設(shè)計(jì)需求，獲得相對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)專業(yè)之間的仿真流程相互映射，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，消除現(xiàn)有專業(yè)之間人工進(jìn)行參數(shù)與文件傳遞的現(xiàn)狀。

對(duì)于航空行業(yè)企業(yè)研發(fā)來(lái)說(shuō)，仿真分析數(shù)據(jù)是和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一樣重要的企業(yè)資產(chǎn)，而且仿真數(shù)據(jù)的管理模式與仿真分析流程息息相關(guān)，這與基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式差別很大。基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的PDM系統(tǒng)很難通過(guò)擴(kuò)展來(lái)有效管理仿真數(shù)據(jù)，而且仿真分析涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)、控制和結(jié)構(gòu)力學(xué)等眾多學(xué)科，涉及到學(xué)科之間的優(yōu)化，流程復(fù)雜。另外仿真分析工具種類繁多，分析數(shù)據(jù)格式不一，仿真分析也沒(méi)有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)那樣清晰的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

三、仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法應(yīng)用

基于以上方法，采用達(dá)索3D Experience平臺(tái)，定制開(kāi)發(fā)仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)SPDM，通過(guò)某型號(hào)副翼及其操縱系統(tǒng)的仿真分析業(yè)務(wù)場(chǎng)景，驗(yàn)證仿真流程和數(shù)據(jù)管理的方法。應(yīng)用的場(chǎng)景框架圖如圖2所示。

1、任務(wù)協(xié)同管理

針對(duì)載荷集成室、外部綜合室和主控制翼面室（結(jié)構(gòu)）三個(gè)專業(yè)在某型號(hào)副翼及其操縱系統(tǒng)研發(fā)中的仿真業(yè)務(wù)過(guò)程，進(jìn)行任務(wù)協(xié)同管理應(yīng)用。

（1）載荷集成室

載荷集成室的副翼及其操縱系統(tǒng)研發(fā)業(yè)務(wù)流程是進(jìn)行作動(dòng)器強(qiáng)度的需求匯總，以及作動(dòng)器強(qiáng)度分析的評(píng)估和審核。在典型的作動(dòng)器研發(fā)業(yè)務(wù)流程中，載荷集成室參與由飛控組織的IPT聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，接收到飛控部門(mén)發(fā)送的RFP需求邀請(qǐng)單后，進(jìn)行副翼作動(dòng)器強(qiáng)度需求的填寫(xiě)，由飛控匯總需求后交由供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核，而后供應(yīng)商將結(jié)果提交至各參與部門(mén)進(jìn)行迭代，其典型業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

在SPDM平臺(tái)中，通過(guò)項(xiàng)目創(chuàng)建-人員創(chuàng)建-任務(wù)分解及分配-子任務(wù)創(chuàng)建-任務(wù)甘特圖編制-任務(wù)分派-任務(wù)執(zhí)行-任務(wù)進(jìn)度變更-任務(wù)交付物提交-任務(wù)監(jiān)控等過(guò)程，完成了載荷集成室的任務(wù)協(xié)同管理，如圖4和圖5所示。

（2）外部綜合室

外部綜合室的副翼及其操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)是進(jìn)行副翼外形數(shù)模設(shè)計(jì)。在典型的副翼外形數(shù)模設(shè)計(jì)流程中，首先外部綜合室組建IPT團(tuán)隊(duì)，外部綜合室工程師在機(jī)翼外形數(shù)模的基礎(chǔ)上進(jìn)行副翼外形數(shù)模設(shè)計(jì)，將副翼外形設(shè)計(jì)結(jié)果發(fā)起會(huì)簽流程，由飛控專業(yè)、布置專業(yè)、氣動(dòng)專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)等共同組織會(huì)簽。典型業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

在SPDM平臺(tái)中，創(chuàng)建外部綜合室的研發(fā)任務(wù)及任務(wù)分派流程，通過(guò)協(xié)同管理方法，實(shí)現(xiàn)外部綜合室的任務(wù)協(xié)同管理，如圖7和圖8所示。

（3）主控制翼面室（結(jié)構(gòu)）

主控制翼面室結(jié)構(gòu)專業(yè)副翼及其操縱系統(tǒng)研發(fā)的業(yè)務(wù)是進(jìn)行副翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在典型的副翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中，首先進(jìn)行各部門(mén)需求溝通，這種交流貫穿于項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程，結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，與強(qiáng)度專業(yè)進(jìn)行迭代，強(qiáng)度工程師將校核報(bào)告反饋給結(jié)構(gòu)專業(yè)，當(dāng)校核通過(guò)后，結(jié)構(gòu)專業(yè)繼續(xù)與工藝專業(yè)迭代，由工藝專業(yè)進(jìn)行校核，提供結(jié)構(gòu)-工藝協(xié)調(diào)單。典型業(yè)務(wù)流程如圖9所示。

在SPDM平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)的主控制翼面室結(jié)構(gòu)專業(yè)的任務(wù)協(xié)同管理如圖10、圖11和圖12所示。

2、仿真流程管理

實(shí)際工作中，在主控制翼面室的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度專業(yè)，仍存在不少需要迭代優(yōu)化的仿真流程，以一般組件的減重或減少應(yīng)力集中設(shè)計(jì)為例，需要“結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行初始設(shè)計(jì)-強(qiáng)度專業(yè)進(jìn)行分析-結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)反饋意見(jiàn)進(jìn)行模型修改-再分析-再設(shè)計(jì)”的重復(fù)性工作，使仿真工程師深陷常規(guī)的成熟分析流程，減少了在新技術(shù)上的研究精力，不利于企業(yè)創(chuàng)新。

基于以上現(xiàn)狀，利用協(xié)同研發(fā)平臺(tái)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)-仿真的協(xié)同優(yōu)化，通過(guò)仿真流程中的優(yōu)化算法控制變量的取值，自動(dòng)化運(yùn)行多種參數(shù)組合的工況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行提取，利用數(shù)據(jù)挖掘及決策支持功能，進(jìn)行結(jié)果的優(yōu)選。

根據(jù)主控制翼面室-強(qiáng)度專業(yè)的典型業(yè)務(wù)，結(jié)合設(shè)計(jì)與仿真的常規(guī)需求，進(jìn)行了兩種優(yōu)化流程的搭建及運(yùn)行，如圖13所示。

在SPDM平臺(tái)中，搭建的流程及優(yōu)化分析結(jié)果如圖14和圖15所示。

3、仿真數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理方面，通過(guò)“書(shū)簽文件夾+屬性組"的方式進(jìn)行管理，針對(duì)業(yè)務(wù)部門(mén)仿真數(shù)據(jù)的層級(jí)結(jié)構(gòu)，建立如圖16所示的書(shū)簽文件夾結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)版本管理方面，在創(chuàng)建文檔時(shí)，依據(jù)數(shù)據(jù)情況，創(chuàng)建版本文檔與非版本文檔，對(duì)于需要進(jìn)行版本管理的數(shù)據(jù)創(chuàng)建版本文檔進(jìn)行管理，對(duì)于只需要管理最終版本的文檔創(chuàng)建非版本文檔進(jìn)行管理，如圖17所示。

仿真知識(shí)庫(kù)方面，構(gòu)建了關(guān)于副翼及其操縱系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中的仿真流程的知識(shí)庫(kù)，并對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)、控制和數(shù)據(jù)共享。仿真知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建內(nèi)容如圖18所示

四、結(jié)論

通過(guò)仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法研究與應(yīng)用，驗(yàn)證了搭建的SPDM平臺(tái)，滿足某型號(hào)副翼及其操縱系統(tǒng)的研發(fā)仿真過(guò)程，使得設(shè)計(jì)研發(fā)企業(yè)實(shí)現(xiàn)：

◎?qū)⒎抡娓玫卣系疆a(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中；

◎?qū)崿F(xiàn)權(quán)責(zé)分明的仿真管理，有效地跟蹤仿真過(guò)程；

◎從浩瀚的仿真數(shù)據(jù)中快速和精準(zhǔn)地找到完整的相關(guān)數(shù)據(jù)；

◎以工程優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)為導(dǎo)向，在設(shè)計(jì)早期能較準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)計(jì)方案的性能；

◎?qū)⒎抡鎸＜业膫€(gè)人知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)內(nèi)部共享的知識(shí)。