基于PDAE系統的NASTRAN分析

許建宏，王 堅，凌衛青

XU Jian-hong, WANG Jian, LING Wei-qing

（同濟大學 CIMS研究中心，上海 201804）

1 問題的提出

我國所擁有的具有自主知識產權的高溫氣冷堆核電技術，是在我國“863計劃”支持下取得的重大高新技術成果，是我國自主開發的新一代核能發電技術。高溫氣冷堆核電站燃料球輸送用氦氣壓縮機組可用于氦氣透平直接循環、直接聯合循環及間接聯合循環等多種方式，是高溫氣冷堆核電站中的關鍵配套設備之一。利用信息化技術，開展高溫氣冷堆核電站燃料球輸送用氦氣壓縮機組的創新研發，對于形成我國的自主知識產權和相關專利，進一步進行清潔能源核能的開發均有重大意義。

1.1 存在的問題

高溫氣冷堆核電站燃料球輸送用氦氣壓縮機組要求結構緊湊、系統復雜、工作條件苛刻，涉及冷卻系統、濾油純化系統、安全保護系統，其研發具有較高的技術含量和產品創新性。在其產品設計過程中，必須對壓縮機組內相關部位的溫度場分布、機械應力、振動頻率等進行計算機輔助工程分析（CAE）。目前主流的工程分析軟件主要是NASTRAN。然而，在應用NASTRAN進行產品研發的過程中，主要面臨以下兩個問題。

1）設計分析活動的分散性，使得針對固定的工程分析流程，傳統的NASTRAN工程分析需要每一個客戶端都安裝分析軟件，多臺安裝需要高昂的成本，企業難以負擔。__

2）工程計算結果缺乏有效的組織管理和重用。以往的計算結果大多掌握在分析人員個人手上，難以共享和重用，導致重復分析計算現象頻頻發生，設計周期耗時過長，分析效率低下。

綜上所述，需要研究相應產品設計分析平臺，通過工程分析過程管理、跨平臺遠程計算和工程分析數據管理等，實現工程分析高效管理，完成企業知識積累。

1.2 現有產品

隨著對遠程工程分析奢求的日益迫切，以及相關技術研究的深入，很多軟件公司也都陸續推出了自己相關的軟件產品。

MSC公司推出的SimManager是企業級仿真業務管理平臺。其采用了面向服務架構（SOA：Service-Oriented Architecture）的概念，遵循模型-視圖-控制器相分離的MVC模式，將各種應用組件部署在一個共同的服務平臺上，可通過胖客戶端（基于應用程序）或者瘦客戶端（基于瀏覽器）進行訪問。

HP公司也推出了自己的遠程圖形軟件RGS（Remote Graphics Software）。其默認使用微軟遠程桌面協議（RDP）作為客戶端和服務器之間的連接協議。RGS中客戶端對服務器上計算資源的調用會實時顯示在客戶端，由于采用比較良好的圖形壓縮技術，客戶端的畫面相對服務器端畫面并不會有太大的失真，操作直觀。

但是這些軟件價格昂貴，而且體積龐大，功能臃腫，需要專業人員操作，且對硬件要求很高，對企業而言往往是另一種沉重的負擔。

2 關鍵技術

2.1 對象序列化技術

對象序列化技術是Java語言用于實現輕量級持久性（lightweight persistence）的一種解決方案。“持久性”意味著一個對象的生存周期并不取決于程序是否正在執行，持久化之后它可以生存于程序的調用之間。

對象序列化的概念加入到語言中是為了支持兩種主要特性，一種是Java的遠程方法調用（Remote Method Invocation, RIM）,它使存活于其他計算機上的資源使用起來就像使用本機資源一樣。當向遠程對象發送消息時，需要通過對象序列化來傳輸參數和返回值。再一個就是用于Java Beans，使用一個Bean時，通常要在設計階段對它的狀態信息進行配置，并保存，在程序啟動時進行后期恢復，這種具體的工作就要對象序列化來完成。

對象序列化一個重要限制是它只是Java的解決方案：只有Java程序才能反序列化這種對象（有一種更具互操作性的解決方案是將數據轉換為XML格式，這可以使其被各種各樣的平臺和語言使用）。

Java序列化機制是通過Serialization API框架來實現的。只要對象實現了Serializable接口，對象的序列化處理就較簡單了。要序列化一個對象，首先要創建某些OutputStream對象，然后將其封裝在一個ObjectOutputStream對象內。這時，只需要調用writeObject()即可將對象序列化，并將其發送給OutputStream。反向進行，將一個InputStream封裝在ObjectInputStream內，然后調用readObject()即可實現反序列化。

2.2 Servlet技術

Servlet（小服務程序）是一個與協議無關的、跨平臺的Web組件，它基于Java技術開發，由Servlet容器所管理。和運行在客戶端瀏覽器中的Applet相似，Servlet運行在服務器端，可以動態地擴展服務器的功能，并且采用“請求—響應”模式提供服務。

Servlet通過創建一個框架來擴展服務器的能力，以提供請求和響應服務。當客戶機發送請求至服務器時，服務器可以將請求信息發送給Servlet，并讓Servlet建立起服務器返回給客戶機的響應。

Java Servlet開發工具（JSDK）提供了多個軟件包，其中包括兩個用于所有Servlet的基本軟件包，分別是java.servlet和java.servlet.http。servlet都實現了java.servlet.Servlet接口，內含有service()，init()，destroy()方法等。

在Servlet的生命周期中，僅執行一次init()方法。它是在服務器裝入Servlet時執行的，可以配置服務器，無論有多少客戶機訪問Servlet，都不會重復執行init()。

service()方法是Servlet的核心，每當一個客戶請求一個HttpServlet對象，該對象的service()方法就要被調用，而且傳遞給這個方法一個“請求”（ServletRequest）對象和一個“響應”（ServletResponse）對象作為參數。Servlet的響應可以是下列類型：一個輸出流或者是一個HTTP錯誤響應，以重定向到另一個Servlet等。

destroy()方法僅執行一次，在服務器停止且卸裝Servlet時執行該方法。典型的時將Servlet作為服務器進程的一部分來關閉。默認的destroy()通常是符合要求的，但也可以覆蓋它，典型的就是重寫以管理服務器端資源。

Servlet的整個生命周期大致如圖1所示。

圖1 servlet生命周期

2.3 工程分析技術

計算機輔助工程分析（Computer Aided Engineering, CAE）一般是指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。CAE軟件的主體是有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）軟件。基于有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化。

應用CAE軟件對工程和產品進行性能分析和模擬時，一般要經歷三個過程：

1）前處理：對工程或產品進行建模，建立合適的有限元模型。

2）有限元分析：對有限元模型進行計算求解。

3）后處理：將求解結果以圖形方式提供給用戶，以輔助判定設計方案合理性。

美國的MSC公司開發的MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN軟件為CAE提供了一整套的較為優秀的、主流的解決方案。目前對氦氣壓縮機組產品的工程分析就是采用此方案進行。

MSC.PATRAN專注于有限元分析的前處理和后處理，功能強大，界面美觀直接。并且提供了PATRAN命令語言（PATRAN Command Language,PCL）可用于用戶自定義模型處理。通過PATRAN進行前處理后，得到.bdf文件，作為NASTRAN進行計算的輸入文件。

啟動NASTRAN軟件，指定計算求解的.bdf文件，輸入求解控制的命令參數。命令參數一般可以用于控制NASTRAN的輸出文件存放位置、數據庫文件存放位置等。其格式一般為：

nastran keyword1=value1keyword2=value2…

NASTRAN解算完畢后，會輸出.op2、.xdb、.f04、.f06、.log等文件，其中.op2和.xdb可以被PATRAN讀入，以進行有限元分析的后處理，將結果以圖形的形式輸出；.f04是系統信息統計文件；.f06是分析運算信息記錄文件，.log則是處理日志。

3 系統實現

3.1 PDAE系統

產品設計分析環境（Product Design & Analysis Environment, PDAE）是由同濟大學CIMS中心研發的，以上海市科委重大項目（08DZ1120802、09DZ1124402、09DZ11201026）為背景，面向我國設備制造企業的產品設計分析流程的管理領域，綜合管理產品的設計分析流程、分布式計算資源、數據信息和知識等。該系統支持需求分析、設計分析流程定義、任務分配、計算資源配置與管理和知識重用等。

系統采用JAVA EE架構，利用ECLIPSE平臺上的RCP技術實施。并貫徹了模型-視圖-控制器相分離的MVC模式，用戶界面主要用SWT/JFACE開發，中間層則利用SPRING框架，實現控制流程；底層數據持久化則采用HIBERNATE方案，功能強大，開發速度快，強度較低。

系統有兩大核心功能，一是基于工作流驅動的任務管理平臺，另外一個就是分布式計算資源管理系統。PDAE系統通過對設計分析過程中的流程、知識和數據的系統化集成和整合，實現了協同設計與相關計算資源的無縫對接，構成了企業的產品設計研發管理平臺。

系統采用了三層工程分析支持系統體系框架，分別是應用層，管理層和資源層。提供了一個分布式、跨平臺的集成統一界面，方便工程設計分析人員對不同計算資源的調用。

3.2 封裝NASTRAN資源

NASTRAN計算資源位于服務器端，可以通過Servlet技術對其進行調用。但是NASTRAN運行時，要輸入相應命令參數，且要指定輸入文件.bdf文件位置所在。因此可以考慮使用NASTRAN所提供的批處理文件的功能，首先將根據對應參數生成批處理文件，然后用Servlet技術監聽對于此批處理文件的請求，并進行響應。

調用NASTRAN的批處理文件一般格式如圖2所示。

圖2 調用NASTRAN的批處理命令

如果有多個解算任務需要一個一個執行，則可在mdnastran c:....ws1.bdf out…這行語句后面依次添上類似命令，指定各任務的.bdf文件和相應命令參數即可。

若是想NASTRAN同時進行多個任務的解算，則要調用的是NASTRAN安裝文件中的mdnastranw.exe文件，而不是mdnastran.exe，更改相應命令即可。

執行此批處理文件后，NASTRAN即開始正常工作，如圖3所示：

圖3 NASTRAN運行界面

3.3 PDAE中NASTRAN遠程分析過程

首先，在PDAE客戶端完成對需要進行網絡傳輸的可序列化對象的相關信息的寫入：

1）新建一個可供網絡傳輸的可序列化的對象

S h e l l E x c e C o m m a n d 2 c m d =shellExecCommand2();

其中，ShellExceCommand2實現了Serializable接口，因而是一個可序列化對象。

2）對可序列化對象設置相關信息及參數

cmd.setMethodPath(resourcebatpath);

cmd.setServerType(serverType);

…

3）客戶端嘗試向遠程服務器端發送HTTP請求：

客戶端向指定IP發送請求，以期望被遠程服務器端的servlet監聽到，并進行相應響應。該過程在ShellExceCommand2對象的sendCommand()方法中完成：

cmd=cmd.sendCommand(“http:// ”+serverip+“:8081/PDAEServer/execute/exe”);

其次，服務器端部署在容器中的servlet將完成監聽連接請求，獲取初始可序列化對象，調用計算資源進行計算，根據計算結果重置可序列化對象相應字段等工作。

（1）監聽連接請求

Servlet是部署在容器中，容器通過某種映射關系將servlet映射到每個具體的URL。在servlet中，所有的這些映射工作都放在項目工程里的WEBINF文件夾下的web-xml文件中。

（2）獲取初始可序列對象

遠程服務器端監聽到該請求后，獲取序列化對象。部署servlet的容器通過servlet-URL映射關系找到對象cmd的servlet，加載該servlet的實例，并調用對應init()方法，之后，調用service()方法，找到對應NASTRAN的批處理文件，運行批處理文件，調用NASTRAN計算資源進行解算。

（3）獲得計算結果并重置相應字段

獲取可序列化對象，計算之后，重置可序列化對象中的tempFileOut字段以更新輸出文件結果。在execute()結束前，利用傳入execute()方法中的HttpResponse參數重新獲取可序列化對象的輸出流，并將this實例重新寫入，從而實現在完成遠程計算后，重置該可序列化對象的功能。

Public void execute(HttpServletResquest,HttpServletResponse response)

Throws Exception

{//執行批處理文件

…

O b j e c t O u t p u t S t r e a m o u t p u t =n e w

ObjectOutputStream(response.getOutputStream());

Output.writeObject(this);

}

服務器端結束完畢后，將計算結果上傳至FTP服務器進行保留，并通過HTTP協議復制一份拷貝至客戶端，從而得以在客戶端顯示輸出文件內容。

4 結束語

利用PDAE平臺，用戶可以直接調用服務器端的NASTRAN軟件實現遠程工程分析，而無須每臺客戶機都安裝，節約大量成本。且分析的輸入文件和輸出文件均在服務器端進行統一管理，大大減少了文件管理難度，提高分析效率。

[1] 孫長任,杜家政,盧緒智,石可重.MSC.NASTRAN應用實例教程 [M].科學出版社.2005.

[2] 凌衛青,王堅.面向大容量電站鍋爐產品研發的工程分析支持系統[J].計算機集成制造系統.2010.4.16(4):738-744.

[3] 陳菁菁,姜源.TOMCAT原理與JAVA WEB系統開發[M].清華大學出版社.2009.

[4] 陳剛.ECLIPSE從入門到精通(第2版)[M].北京:清華大學出版社.2001.

[5] MSC Software Corporatio. MSC SimManager http://www.mscsoftware.com/Products/Virtual-Build-And-Test-Management/SimManager.aspx