具有可靠性分析功能的三維工藝仿真集成管理系統研究

劉曉波 張世強 張超群 吳宏波 李堃

（首都航天機械有限公司 北京市 100076）

1 研究背景

目前，航天制造企業在鈑金、鑄造、機加、裝配等專業開展了工藝仿真研究及應用[1]，為了提高生產率，各專業部門進行大量仿真模擬工作，掌握大量仿真數據[2]。但是各種各樣的仿真軟件彼此功能獨立，缺乏一個總體平臺對眾軟件的集中統一的管理。多種因素導致大量的仿真工作沒有發揮其原有的作用，甚至給生產實際帶來了不良影響。而在智能制造的環境下，仿真軟件不再僅僅是獨立的個體，各種仿真軟件的仿真數據之間相互聯系、相互制約，不能分開研究。由于缺乏仿真可靠性判斷標準，大量的仿真工作有很大比例是無用功。這導致在相當一部分生產制造企業中，仿真僅僅是一種輔助手段，雖然仿真計算花費大量的財力、物力，但是在生產實際中收效甚微。

2 研究目的

隨著企業對工藝仿真的應用越來越普及，分析仿真數據的積累越來越多，但由于工藝仿真分析數據文件較大，同時過程數據及過程方案眾多，各種仿真數據間也存在著特殊的關聯關系。因此，大型制造企業急需建立適合自身生產特點的三維工藝仿真集成管理系統。實現對各種仿真軟件、仿真系統的集成管理，并且利用生產實踐數據對仿真結果進行可靠性分析，最終實現各種制造專業仿真數據的共享與轉換，實現由工藝設計、到工藝仿真，到工藝優化，最后將優化后的工藝參數返回到工藝設計系統，用于指導生產的閉環反饋系統。利用VV&A 理論建立制造仿真數據管理平臺的可靠性驗證模塊，充分利用生產實踐當中的數據，驗證調節各仿真軟件仿真結果的可行性與可靠性。

3 三維工藝仿真集成管理系統

3.1 總體架構

三維工藝仿真集成管理系統的設計本著全面規劃，分塊實施的原則，應用軟件體系架構出系統框架。根據系統總體的建設目標建立三維工藝仿真集成管理系統的系統框架，如圖1 所示。

整個仿真系統是基于網絡的分布式協同研發系統，各個功能模塊之間互相支撐，構成一個有機的整體，滿足工藝仿真分析全過程的要求。

以企業工藝流程為驅動，同Teamcenter、PPS（工藝設計系統）系統相集成，進行工藝仿真任務策劃和流程定制，實現工藝人員的協同工作，規范分析流程，對產品工藝性能、工藝分析過程進行實時監控；依托生產數據，建立不同產品的可靠性分析專家庫，并在工藝設計過程中提供全面的研發手段支撐以及統一數據管理。

本系統的設計充分考慮各仿真軟件之間的內在聯系以及各生產部門的工藝關系，依托現有的數字化管理系統，搭建合適的硬件設備，提供便捷的操作方式，以實現仿真工作的規范化、統一化、經驗化的目的。

3.2 系統功能

圖1：三維工藝仿真集成管理系統框架

由于對于零部件的各類仿真均與產品型號及批架次項目任務相關，同時隨著新材料新工藝的大量應用，工藝仿真的需求也將大量增加。因此為了更清晰的組織仿真數據、達到良好的追溯效果，也便于整個項目對于仿真任務的監控及評估，在工藝仿真數據管理中，引入了對“仿真BOM 結構”的管理，以形成以項目產品結構為基礎的仿真任務及數據的組織模式。

三維工藝仿真集成管理系統主要功能包括用于管理工藝仿真相關的數模、網格、載荷、材料、技術文檔、分析文件、仿真結果和報告等功能的仿真數據管理模塊；用于系統管理、登錄等功能；集成多種三維仿真軟件、實現內容聚合、應用訪問、用戶相關信息發布、以及提供客戶化服務的軟件基礎模塊；與三維產品、工裝、制造資源系統、仿真材料庫的集成，由工藝管理人員進行仿真任務分發和監控的協同仿真模塊；在統一環境下單獨或者同時進行產品工藝仿真的解決方案，將各種CAE 工具軟件進行有機的集成的集成仿真環境；能夠捕獲和自動化最優的設計及仿真實踐，讓用戶定制直接的、標準化的設計流程，可以將工藝設計的經驗提供給新用戶和非專業人士的，實現在工藝類型中組織架構、資源管理、計劃分解、流程關聯、技術狀態監控等功能，對設計分析模型或應用進行封裝集成的工藝仿真管理模塊。如圖2-圖5 所示。

4 制造仿真可靠性驗證模塊

VV&A 在不同的使用情況下有不同的定義，并且VV&A 的定義一直在不斷完善中。目前，VV&A 的定義主要是：校核、驗證以及確認。三者是相互緊密聯系的，其中校核是基礎；驗證是關鍵；確認是目的。

對于我國大型航空航天生產制造企業而言，時間期限緊迫，生產任務繁重，生產型號眾多，小批量生產已是常態。而生產制造仿真模擬則需要大量的時間精力，這與現階段的生產要求不匹配，更無可靠性而言。而編制符合各制造企業的VV&A 需要長時間積累，短時間效果甚微。因此具有可靠性分析功能的制造仿真可靠性驗證模塊很有必要在大型制造企業進行推廣。

圖2：仿真任務過程示意圖

圖3：仿真模板的管理模式

4.1 基于VV&A理論的制造仿真可靠性驗證模塊

基于VV&A 理論的制造仿真可靠性驗證模塊主要是依托VV&A 的校核、驗證以及確認的主旨思想，充分運用生產制造數據，根據各生產制造企業的特點，建立針對性的可靠性專家庫，提升仿真的可靠性，最終實現提高生產效率，節約成本的目標。

可靠性驗證模塊是通過大量生產制造數據進行仿真參數設置校核，初步確認仿真參數設置范圍，并對模型進行初步簡化；利用仿真結果同生產制造結果進行對比驗證，最終確認仿真結果的可靠性程度，并對其進行相關應用。

4.2 可靠性驗證模塊校核

校核主要利用三維工藝仿真集成管理系統的材料庫、被合理簡化的仿真模型、生產制造數據（包括良品和次品數據）以及相應的仿真軟件。

材料庫包括準確的材料力學模型以及準確的材料屬性。正確的材料模型是仿真工作的基礎。

準確的建模是仿真的關鍵。但是模型中往往存在不影響或者影響很小的模型部位，而且這些模型部位大大加重了劃分網格的工作量，延長了仿真時間。合理的模型簡化可以提高仿真效率，節約硬件資源。

可靠性驗證模塊的基礎是生產制造數據。生產制造數據包括工藝規程、生產環境情況、次品產生數據等。而次品數據可能要比良品數據更有價值，因為產生次品的原因有多種，涉及的因素更多，如果在仿真中充分考慮更多的影響因子，則仿真設置以及仿真環境就會更加接近于真實狀況，仿真結果會更加趨于真實。

每一款仿真軟件都有自己擅長的領域，正確選擇一款合適的仿真軟件能夠讓仿真工作事半功倍。影響仿真軟件仿真性能與可靠性的因素有很多，例如網格劃分、底層算法、模型兼容性等。

在可靠性驗證模塊校核時利用準確的制造數據管理系統的材料庫信息，使用經過修改完善的簡化模型，利用合適的仿真軟件，根據生產制造數據進行仿真模擬，并與生產數據進行對比，確定影響仿真結果可靠性的參數、參數的設置范圍以及模型簡化的方式，完成校核工作。如圖6 所示。

4.3 可靠性驗證模塊驗證

利用校核時簡化的模型、選擇的仿真材料以及仿真參數及參數范圍根據相應的生產制造要求進行仿真模擬，得到仿真結果同相似條件下實際生產制造的產品進行對比。驗證模塊在校核部分確定仿真數據可行性。

圖4：任務過程詳解示意圖

圖5：三維工藝仿真集成管理系統界面

4.4 可靠性驗證模塊確認

根據可靠性驗證模塊驗證結果確認該仿真分析方法的可靠性分級：參考或決策。如果驗證部分仿真結果同生產制造結果基本一致，則可以認為通過該仿真方法可以對生產制造作出決策判斷；如果驗證部分仿真結果同生產制造結果趨勢大體相同，結果有所差異，則可認為通過該仿真方法可以為生產制造提供一種參考；如果結果相差較大則認為該仿真方法不適合指導生產制造。最終將該仿真方法所包括的模型簡化方法、仿真參數及參數設置范圍導入三維工藝仿真集成管理系統的可靠性專家庫。使用人員在做相關的仿真工作時，可以依據可靠性專家庫確認仿真方案進行仿真。

5 應用效果

通過具有可靠性分析功能的三維工藝仿真集成管理系統，可以實現以下3 個效果：

（1）建立集成仿真環境，實現對現有工藝經驗、規范要求、軟件工具的集成、整合與知識封裝。為了確保仿真分析數據的可信度，讓使用者更方便的學習及使用各分析仿真軟件，對于工藝仿真分析過程的規范化操作是最為有效的應用方法。對于三維工藝仿真集成管理系統，只有規范的流程及數據，才能實現對數據更有效管理與重用。

圖6：校核

（2）建立三維工藝仿真集成管理系統，實現工藝生產數據數據的統一管理及應用。通過建立工藝參數數據庫、工裝模具數據庫、工藝仿真模板庫等數據資源庫，形成針對工藝仿真分析的數據資源中心，進行結構化的管理，使其能夠在工藝仿真分析過程中予以有效利用，通過數據驅動流程（仿真流程），為大型生產制造公司的工藝設計與管理提供有力的數據支撐。

（3）優化工藝設計過程，提升仿真可靠性。通過可靠性驗證模塊能夠在短時間內對關鍵生產制造步驟仿真工作進行可靠性分析，快速確認仿真方案，節省仿真前期準備時間，縮短仿真生命周期，提升企業生產制造效率。