面向汽車的有限元高性能計算協同設計平臺

周愛國，陸 亮，王聞莉，周治平，高衛民，戴 軼

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

（1. 同濟大學 機械工程學院，上海 201804；2. 上海汽車集團股份有限公司 技術中心，上海 201804）

0 引言

整車零部件的有限元分析是現代汽車設計的一個極其重要的內容，它涉及到車輛動力學、材料學、計算力學和計算機仿真等多學科的綜合知識，這些關鍵技術在汽車產品創新設計過程中的有效使用，是縮短開發周期，節約開發成本的有效途徑。基于Web的協同設計環境正好滿足其要求，CSCW(Computer Supported Cooperative Work)協同設計的運用，使設計者采用群體工作的方式，從而不同程度地改善了傳統設計中項目管理與設計之間以及不同設計階段之間的脫節，使不同地點的管理人員、設計人員以及用戶等都能同步或異步地參與設計工作，從而提高設計的質量和效率[1]；而通過Web平臺，各個網絡成員能發揮各自的優勢，以最短的時間實現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的高性能計算協同設計平臺，主要針對汽車關鍵零部件的大規模數值計算有限元分析，借助于已經建立的公共計算服務中心，目的在于為汽車產品的協同創新設計提供一個良好的開發環境。

1 協同設計平臺體系規劃

協同設計的實施是以劃分出一系列子任務為基礎，各個設計小組承擔不同的子任務[3]。協同設計的體系圖如圖1所示。

圖1 協同設計體系圖

該平臺采用B/S三層架構，平臺由用戶端協作層、服務器層、數據庫支撐層組成。最上層為協作層，由若干個設計小組構成，每個小組承擔不同的設計任務，通過信息的交流完成設計任務。

服務器端主要實現用戶權限判斷和功能設計、沖突消除、以及用戶共享數據庫的管理。服務器層的這些功能通過ASP.NET的編程實現，同時面向協同小組組員的程序通過HTML,ASP.NET,C#，XML來實現，面向數據庫的部分程序通過ADO.NET與數據庫連接。

該平臺采用SQLserver2000作為后臺數據庫完成數據的存取，同時觸發器和存儲過程可以執行部分數據計算任務，這減輕了程序設計任務。根據平臺的需要，數據庫可劃分為：

1）用戶資料數據庫：存放用戶的基本信息；

2）用戶角色管理數據庫：存放用戶角色信息及權限，角色由管理員賦值，在賦予用戶角色的同時也決定了用戶的權限；

3）角色行為數據庫：記錄用戶所擁有角色在任務完成過程中的操作行為，以便解決沖突時的回溯；

4）資料信息數據庫：存放設計常用的參考數據資料，以及已有的汽車零部件的CAD、CAE資料；

5）設計數據數據庫：儲存各協同小組所設計產品的具體參數。

2 協同平臺總體結構設計

該平臺的結構可以劃分4大模塊：基本公共模塊，中心設計模塊，學科設計子模塊，以及應用程序模塊，結構如圖2所示。

圖2 協同設計平臺結構圖

4個子模塊都需要數據庫的支持，且幾個模塊之間的數據交換都要通過這幾個數據庫為中介。

3 子模塊設計分析

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、資料管理構成。

在現代企業管理中，機密越顯重要，用戶需要登錄以該平臺為依托的網站才可以獲取各種信息。因此對整個系統的訪問都要通過訪問安全管理，它用于控制用戶進入系統和進系統后的相關權限，具體包括：用戶注冊、用戶登錄。圖3所示為登陸平臺的整體流程圖。

公告欄是平臺的門戶，用戶登錄系統后通過公告欄看到當前任務和版本更新通知，能否發布告由用戶的角色權限決定。

圖3 平臺登陸流程圖

登陸該平臺的用戶，可通過用戶管理模塊查看自己當前的角色和權限，當用戶的職位、所在部門等基本資料發生變化時，通過此模塊可進行修改并保存在相應數據庫中。

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同設計成員，其存儲各種類型的公開性文件，如機械設計手冊、國家標準、汽車行業標準等。CAD資料分為汽車零部件的二維圖、三維圖兩大類。為了便于設計者快速查找，每一類中零件模型按照整車結構分為以下幾大類：發動機，傳動系統，行駛系統，轉向系統，以及制動系統。每個系統再通過命名與編號的方式進行詳細分解。不同小組的設計者可根據實際需要，直接調用模型，達到資源重復利用的目的。CAE數據庫用來儲存CAD數據庫中三維模型的有限元分析結果，如車身、底盤、懸架系統、和車輪等主要零部件的動力學、強度、剛度、振動、應力、熱傳導分析結果，各部分零件的分析結果采用與上述CAD文件相似的方法進行統一分類。這些CAE數據為進一步的研究，如汽車零部件疲勞壽命耐久性分析，操縱穩定性分析，行駛平順性分析等提供參考數據。

3.2 中心設計模塊

中心設計模塊是該平臺的重要環節，它包括任務管理和角色管理。

3.2.1 任務管理

1）任務的工作流管理技術

平臺的任務管理主要指管理員對汽車有限元協同設計任務的劃分和監控，任務的劃分是基礎，任務的監控是核心。該平臺的一大特點就是在CSCW中融入了工作流技術。

工作流管理聯盟（Workflow Management Coalition,WfMC) 將工作流定義為，業務過程的全部或部分自動化，在此過程中，按照一系列過程規則，文檔、信息或任務在不同的執行者之間傳遞與執行。使用工作流可以使應用邏輯與它的信息支撐系統相分離，不修改具體功能模塊實現方式而通過修改過程模型來改進系統[4]。CSCW的實質是利用計算機的通信能力，達到各個工作方面的通信、交流、協同工作,而有了工作流技術作為支撐，可以更好的協調有限元分析過程中各個方面的關系[5]。

圖4為該協同設計平臺的總體工作流程，系統采用調度方式與觸發方式來實現工作流引擎的過程，其中調度方式實現監控，其他功能則通過關系數據庫中的觸發器實現。

管理人員創建新項目后，進行任務分配，確定小組負責人，結果顯示在路由節點圖上，并發布信息，通知具有權限的小組負責人領取任務。負責人領取任務后，再將任務分配給組員。組員領取任務，可以查看整個任務的安排情況，及與自己任務相關的用戶，在設計時利用公告欄，聊天室等協同工具及時進行溝通。任務完成的情況全部記錄在監控表上，管理人員可以通過查看監控表上的記錄實現進度的實時監控，并且通過關系數據庫中的觸發器實現路由表上任務分配流程的動態修改，及歸檔處理等。項目設計過程呈現出：強規律性、強時序性、強邏輯性、強反復性。

圖4 基于工作流的任務管理流程圖

2）設計中沖突的消解

在汽車零部件有限元分析協同設計過程中，由于各協同小組成員的專業知識不同，每一個環節中的任務要求不同，缺乏共同的知識表達方法，以及在完成局部設計時盡可能使自己的目標值取最優，較少也較難考慮到其它領域的目標等原因，沖突是協同設計系統必須面臨的問題，協同設計的過程就是一個沖突產生和消解的過程[6]。

該平臺利用任務管理中的任務批注和任務歷史記錄進行沖突消除。任務往前推進，有不同設計版本出現時，管理員審批通過后，會在任務批注欄注明版本更新通知，并發布公告，任務歷史記錄數據庫中就記錄了不同設計人員的不同版本，這時就需要消解沖突。相關人員看到更新公告后，先人工進行沖突檢測，當發現新版本與自己的設計相符合則設置該版本有效,如不符合即與設計者協商討論，如果協商成功，則沖突解決，否則沖突將提交到小組負責人處，由小組負責人仲裁，如果小組負責人無法仲裁則提交項目管理員。無沖突或已經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

該平臺采用基于角色的訪問控制技術RBAC，RBAC即權限與角色相關聯，用戶通過被授予若干角色而獲得相應權限。管理員根據組織中的職能分工創建角色，同時根據責任和資格授予用戶相應角色，通過分配和撤銷授予用戶的角色來完成用戶權限的授予和撤銷[7]。

引入角色這個中介,安全的管理就可以根據需要來定義角色,并設置合適的訪問權限,而用戶根據其責任和權利被指派為不同的角色。整個訪問控制過程就被分成了兩部分：訪問權限與角色相關聯,角色再與用戶相關聯，從而實現了用戶與訪問權限的邏輯分離[7]。RBAC極大地方便了權限的管理，如果用戶的職位與任務發生了變化,只要將用戶當前的角色去掉加入代表新的職務或任務的角色即可。在該平臺中，每一部分的功能都被設定了相應的權限要求，只有擁有權限才能使用，所有權限要求統一放在權限管理部分。該技術實現了用戶與權限的分離管理，保證了數據的安全性。

3.3 學科設計子模塊

學科設計子模塊完成小組管理與設計數據管理，其主要針對各協同設計小組。

汽車零部件的復雜性與多樣性決定了協同設計人員的多樣性，為了便于不同小組的管理，平臺采用了協同設計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同小組，且當有新任務公告發布時，小組成員根據管理員指示申請加入指定的小組，等待管理員審批，此舉使管理員對整個任務安排實現監控。

設計數據管理實現了設計數據的統一分類管理，具體包括CAD二維數據、CAD三維數據、CAE前處理數據、CAE后處理數據、仿真文件，每一類文件同時又按所屬項目、上傳時間、零部件類型、上傳人進一步分類，保證了設計數據的有序性與層次性。小組成員可以根據自己相應的權限進行查詢、下載其他相關小組的數據結果，利用平臺中的協同工具及時進行溝通，達到協同設計的目的。

3.4 應用程序模塊

該協同平臺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等大型有限元數值分析軟件，大規模的計算對計算機的需求較高，而且涉及到大量并行計算問題。為了盡可能的提高有限元分析的解算速度，該平臺的另一大特點就是建立了高性能計算模塊，實現了與企業高性能計算平臺的鏈接，對有限元數據進行統一排隊計算，有效地利用超級計算機的CPU、監測并優化其使用率。

需要提交數據計算的小組成員首先新建工程，然后根據設計產品計算量的大小，并通過上傳待計算文件欄觀察到的各主機的使用情況，選擇主機，填寫所需內存與CPU個數，最后將需要計算的設計數據提交到計算服務中心，設計數據會根據相應的權限優先級排隊等候。計算中心對設計數據進行管理，用戶可以在進度表中看到計算的完成情況，當設計數據處理結束后，則可以進行相應的下載。該模塊有效地利用了高性能計算資源，實現了設計數據的遠程高效計算，大大提高了計算效率。

應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用戶快速打開本地的應用程序。而在線聊室，則方便了分布較遠的設計者及時的溝通，有利于方案的共享、比較和優化，減少了因重復設計，造成人力資源浪費。

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，對汽車在路面行駛時各部分零件的應力分布情況進行有限元仿真分析。該項目通過此協同設計平臺提高了設計效率，達到縮短開發周期，節約成本的目標。

管理員登陸系統，建立項目，并安排工作流進程統籌管理整個項目：1）對整車及路面進行三維建模。2）對整車模型進行有限元前處理。3）對路面模型進行有限元前處理。4）對整體模型進行有限元前處理并提交計算。5）對整體模型進行有限元后處理。整車設計小組可調用設計資料數據庫中的汽車主要零件模型進行建模，路面設計小組可查閱設計資料數據庫中的公共文件，參考相關參數進行路面建模，小組負責人審核通過后，繼續工作流。其它小組直接調用已建好模型進行各自任務，同時，通過應用程序模塊及時溝通。在涉及到解算處理時，相關的任務負責人通過高性能計算模塊提交有限元前處理模型至高性能計算中心。最后小組負責人對任務進行審批，驗收合格后將結果提交到相應數據庫，項目流程如圖5所示。

圖5 基于Pave路譜的整車耐久分析在平臺的工作流程

5 結論

面向汽車關鍵零部件有限元分析的高性能計算協同設計平臺，有效地利用了協同設計的理念，很好地解決設計者分布在較大的范圍內，溝通不便，而造成人力資源浪費的問題。B/S結構，Web技術，以及數據資源管理技術的合理運用，使多個關聯的設計工作能協調高效地完成。工作流管理技術的概念的運用，更加有效地實現了對項目任務的實時監督。同時，該平臺內含有超級計算機中心的鏈接，為CAE等需大量計算的設計工作提供了便利。在高知識含量的新產品為競爭核心的新時代，該平臺符合了提高設計效率，降低設計成本，縮短產品開發周期的要求。當然為完善該平臺在各個模塊的功能還有許多工作要做，相信在不久該平臺必將更加完善。

[1]張志勝,史金飛.顏景平.基于Web的協同設計沖突消解系統研究[J].制造業自動化.2003,25(5)：16-19.

[2]石德乾.基于Web的設計制造資源共享技術研究[D].四川：四川大學,2003：1-3.

[3]常鋒娟,劉蘇.基于web的協同設計系統[J].機電工程技術.2004,4(33)：49-51.

[4]王文斌,等.機械設計手冊(新版第6卷)[M].北京：機械工業出版社,2004.

[5]李智,李亞橋.基于工作流的協同設計系統應用[J].中國民航大學學報.2007,7(25)：118-119.

[6]張志勝,史金飛,顏景平.基于Web的協同設計沖突消解系統研究[J].制造業自動化. 2003.5：16-19.

[7]黃國言,金順福.計算機網絡協同與交互技術[M].北京：北京郵電大學出版社,2008.