仿真標準試驗驗證及技術服務平臺建設探討

中機生產力促進中心□陳 杰 潘康華 王云峰 陳景玉

1 引言

數字化仿真技術是縮短產品研制周期、提高生產效率的有效技術手段。近年來，隨著計算機技術和信息技術的飛速發展，數字化仿真技術在機械行業企業中得到了較為普遍的應用。但是，應用的成熟度還比較低，缺乏仿真技術應用和工作過程的規范性指導，與產品研發體系的數據和流程集成度不高。表現在標準化方面，存在著關鍵技術標準缺失、配套驗證方法和工具不健全、標準有效性和適用性較差等問題，極大的制約了數字化仿真技術的廣泛、有效應用。基于此，本項目從工程應用的角度出發，圍繞機械行業企業數字化仿真技術應用需求，開展機械產品工藝設計仿真及信息集成關鍵技術標準研究，研制七項國家標準草案。

標準的有效性和適用性是衡量標準質量的重要指標，而標準的試驗驗證是保證標準有效性和適用性的關鍵手段。近年來，國內外許多高校和商業企業對仿真管理平臺開展了一些研究。西北工業大學的賀朝霞等對復雜機械產品的協同仿真環境數據管理系統進行了研究，對仿真流程建模與仿真分析執行過程中產生的各類數據和數據文檔進行了特點分析與分類，基于協同仿真平臺的功能框架，設計了關系數據庫與內容倉庫協同工作的數據管理系統，并構建了技術架構。北京理工大學的孫鵬文等對復雜產品協同仿真技術進行了研究，在分析復雜產品協同仿真特點、主要仿真類型及其協作模式、協同仿真平臺功能的基礎上，研究了以PDM為支撐系統，通過拓展其功能和性能的協同仿真平臺及其體系結構，并就協同仿真建模、模型生成方法、模型重用、仿真模型庫/數據庫等關鍵技術進行了探討。清華大學的岳英超等對面向高速動車組列車的協同仿真平臺進行了研究，提出了協同仿真平臺的體系架構，并詳細闡述了協同平臺中的關鍵技術。清華大學的王克明等對復雜產品的協同設計與仿真技術進行了研究，從復雜產品設計需求出發，討論了多領域協同仿真技術的特點和實現方式，重點分析了遵循HLA規范的協同仿真模式，并進一步研究了基于多領域協同仿真的復雜產品設計及其關鍵技術。哈爾濱工程大學的賴明珠等對基于HLA的多領域協同仿真模型集成技術進行了研究，以高層體系結構為軟總線，利用分布式數據庫、文件模擬數據庫和XML技術，統一不同領域軟件的仿真模型定義規范，采用面向服務架構的方式構建子模塊，將各領域仿真軟件松散耦合到虛擬樣機協同仿真平臺中。此外，一些商業公司也開發了一些仿真管理平臺，如ANSYS EKM、安世亞太PERA、瑞風協同DENOVA等。

本文在仿真標準試驗驗證及技術服務平臺需求分析的基礎上，提出了平臺的體系架構，并對平臺實現的關鍵技術進行了研究。

2 需求分析

（1）數據管理功能

機械產品設計工藝仿真過程中會產生大量的、各種類型的仿真數據，平臺應能具備專業的仿真數據管理功能，保證數據集中管理，減少大量查找仿真數據的時間，快速獲取數據，積累、重用仿真歷史數據。仿真數據管理功能除了提供對數據的批量上傳下載、數據檢索、數據版本管理及檢入/檢出等基本功能外，還可以針對上傳的數據進行信息處理，并且允許從PLM/PDM系統傳輸文件到仿真標準試驗驗證平臺，同時數據屬性隨文件傳送，可以在平臺中確認數據更新狀態，將驗證數據或者數據文件從試驗驗證系統平臺傳送回PLM/PDM系統，以支撐仿真驗證結果的可靠性。

（2）流程管理功能

平臺應該具有仿真流程管理功能，通過仿真流程將仿真過程、仿真數據、仿真經驗和規范以及仿真人員集成在一起，實現整個過程的協同、標準化和規范化及部分仿真過程的自動化。仿真流程中包括數據流和控制流，應提供靈活、直觀的仿真流程數據流和控制流的定制方式，并能夠對仿真流程進行監控。

（3）系統管理功能

系統管理功能主要涉及仿真標準試驗驗證系統的安全性、客戶個性化需求配置等內容。在安全性方面，系統能夠對數據的訪問及操作權限進行配置；能夠劃分獨立的數據分區，允許對各分區數據進行獨立的用戶及權限配置；能夠對數據進行全生命周期管理，并自動完成數據生命周期各階段的用戶及權限配置。

（4）技術服務功能

該平臺除了能對仿真標準進行試驗驗證以外，還應提供相應的仿真服務，為不同領域的仿真用戶提供產品設計工藝仿真服務，如需求發布、供需對接、仿真服務機構能力展示、仿真資源共享、標準查詢、標準解讀等，降低機械行業企業實施數字化仿真技術的門檻，推動數字化仿真技術的應用和發展。

3 平臺架構

采用面向服務 （SOA）的體系結構思想，基于可擴展建模仿真框架 （XMSF）/模型驅動體系結構 （MDA）規范，結合Web/Web Service/云計算和HLA/RTI體系結構，構建面向服務、開放、普適的仿真標準試驗驗證及技術服務平臺，有效連接高性能計算平臺 （云計算、集群計算等）、各種仿真軟件工具和硬件設備，為機械產品設計工藝仿真提供了富于操作性、靈活性和協同性的執行能力。平臺主要包括資源層、核心服務層、管理系統層和應用層四個方面，平臺功能架構如圖1所示。

圖1 機械產品設計工藝仿真標準試驗驗證及技術服務平臺架構

平臺主要由以下模塊組成：

（1）資源層

資源層主要用于提供機械產品多學科設計工藝仿真過程中調度使用的各類資源，包括：存儲資源、仿真報告模板、仿真模型庫、仿真知識庫、仿真標準資源、各類計算資源 （包括集群等高性能計算資源）、各類設計工藝仿真CAD/CAE工具資源、多學科優化工具/算法資源、CAD/CAE數據轉換工具資源以及各類服務器/工作站/VR等設備資源等。

（2）核心服務層

核心服務層主要用于提供面向機械產品多學科設計工藝仿真的核心服務，包括：

1）多種仿真機制管理服務，提供協同設計仿真過程中的各類仿真推進機制的協調與管理；

2）仿真資源動態管理與優化配置服務，提供資源的部署、注冊、智能化發現調度、監控和優化配置管理功能；

3）設計和工藝仿真流程自動化調度服務，提供面向多學科設計工藝仿真全過程的流程自動化調度與優化功能；

4）分布、交互、協同仿真組合調度服務，提供面向多學科的分布、交互、協同仿真；

5）協同可視化引擎服務，提供協同3D可視化顯示功能；

6）ADAMS、 Creo、 Matlab、 ABAQUS 等分析工具，提供產品設計及工藝仿真所涉及的各種仿真分析工具；

7）Web Service、云計算等資源服務中間件和PDM產品，提供產品數據管理以及構造標準化程度高的Web服務；

8）基于Web的HLA/RTI分布交互仿真（XMSF）中間件，提供面向Internet/網格環境中協同仿真的聯邦級運行支撐功能。

（3）管理系統層

為了方便對標準試驗驗證所涉及的仿真數據、仿真過程和仿真資源進行管理，面向多學科領域，構建機械產品仿真試驗驗證管理系統，系統可以與主流的仿真分析工具、CAD軟件、CAPP軟件、PDM系統集成，支持分布式仿真高層體系結構HLA，具有通用性、開放性和可擴展性。主要分為以下幾個模塊：

1）冷加工工藝仿真驗證模塊：本模塊基于大型商用建模軟件開發冷加工 （主要指機加工）工藝仿真驗證系統，通過輸入車、銑、刨、磨等不同加工工藝類型零件的三維實體模型，設置機床仿真環境、刀具、夾具、毛坯、NC程序等，自動執行加工過程仿真，最后輸出刀具軌跡演示動畫、過切和殘余驗證報告、NC代碼文件等。

2）熱加工工藝仿真驗證模塊：本模塊基于大型商用有限元分析軟件開發熱加工工藝仿真驗證系統，通過輸入鑄造、鍛造、焊接等不同加工工藝類型零件的幾何簡化模型，設置前處理相關參數，選擇求解程序進行數值計算，最后顯示與輸出應力場、位移場、溫度場、速度場等仿真結果文件。

3）裝配仿真驗證模塊：本模塊基于大型商用建模軟件開發裝配仿真驗證系統，在虛擬裝配場景中對裝配模型的各裝配單元的裝配過程進行操作仿真，或對已經裝配好的對象進行拆卸操作仿真，并根據虛擬裝配操作仿真過程獲得的信息進行裝配過程規劃，包括裝配單元裝配順序與運動路徑規劃、裝配過程的干涉與碰撞分析、裝配過程的操作空間分析等，最終獲得裝配對象最佳的裝配順序與路徑，以及可裝配性信息。

4）生產線布局仿真驗證模塊：本模塊通過開發生產線布局仿真驗證系統，根據生產線規劃和布局設計信息，建立生產線規劃和布局仿真物理模型，一般包括加工、運輸及輔助設備設施，結合場地、空間和各種約束條件，對各類資源進行規劃和布局，根據仿真結果對生產線規劃和布局進行調整優化。

5）模型構建與轉化模塊：本模塊基于大型商用建模軟件與有限元分析軟件開發模型構建與轉化仿真驗證系統，通過讀取建模軟件提供的設計模型或工藝模型，自動輸出模型的坐標系、單位制、幾何比例、精度、模型完整性等方面信息，并根據仿真軟件需要在平臺中選擇單位制、幾何比例、精度等內容，自動生成符合仿真軟件需求的設計模型或工藝模型。

6）仿真數據管理驗證模塊：本模塊與主流的企業數據管理系統集成，通過建立典型工藝仿真流程，實現工藝仿真數據的集成化管理，驗證《機械產品工藝仿真 數據管理要求》標準技術內容。

7）仿真資源管理驗證模塊：標準試驗驗證過程中需要使用大量的仿真資源，具體包括仿真報告模板、仿真模型、仿真案例和仿真標準等，針對這些需求，本模塊收集、整理相關資源并進行補充完善，分別建設成仿真報告模板庫、仿真模型庫、仿真知識庫、仿真標準資源庫等機械產品仿真資源庫。

8）開放接口：為了保證機械產品仿真試驗驗證管理系統的開放性和可擴展性，確保該系統能夠對后續研制的數字化仿真標準進行試驗驗證，提供二次開放接口，方便對系統功能進行修改、完善。

（4） 應用層

應用層提供了面向機械產品設計工藝仿真的各類門戶工具，包括產品設計工藝仿真平臺和產品數字化仿真技術應用公共服務平臺等。

1）產品設計工藝仿真服務門戶

面向機械產品設計工藝仿真需求，提供相應的仿真服務界面，為不同領域的仿真用戶提供產品設計工藝仿真服務。用戶可以通過仿真服務界面按照要求輸出仿真所需的參數、初始模型等，仿真試驗驗證管理系統接到仿真任務后，進行仿真分析，并將仿真分析結果顯示到仿真服務界面中。

2）產品數字化仿真技術應用公共服務平臺

著眼集聚化、協同化和服務化的目標，圍繞機械行業企業數字化仿真標準研制、試驗驗證、仿真資源和仿真服務等需求，整合優質標準研制、試驗、資源、服務機構等能力，以資源共享規則為核心，定義資源管理和仿真協同服務等標準規范和流程，通過云計算、移動互聯網技術，構建能夠面向機械行業企業提供數字化仿真技術應用和標準宣貫實施的公共服務平臺——產品數字化仿真技術應用公共服務平臺 （平臺架構如圖2所示），降低機械行業企業實施數字化仿真技術的門檻，為機械行業企業全面推行智能設計、建設智能工廠奠定基礎。

圖2 產品數字化仿真技術應用公共服務平臺架構圖

公共服務平臺主要功能包括：

a）仿真能力支持

①仿真服務機構：為仿真技術研究和服務機構提供形象宣傳，資質、案例、設備等仿真能力展示，服務介紹和信譽評價等；

②需求發布服務：為用戶提供仿真、標準、試驗驗證等需求發布服務，支持公共、定向發布能力；

③供需對接服務：為用戶和仿真服務機構對接提供對接、交易和服務評價等。

b）仿真資源服務

①仿真相關軟件下載：提供產品數字化仿真數據管理系統等軟件下載試用功能；

②仿真技術培訓：提供ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、ADINA等常用CAE軟件和Pro/E、NX、CATIA等主流CAD軟件相關的在線視頻教程與其他培訓材料；

③仿真資源共享：提供仿真報告模板庫、仿真模型庫、仿真知識庫、仿真標準資源庫等仿真資源下載；

④實驗室共享服務：整合優質實驗室資源，開放實驗室仿真能力，實現資源共享。

c）仿真標準化服務

①標準信息咨詢：跟蹤國內外仿真領域標準化發展動態，提供國際、國外、國內、行業仿真相關標準信息咨詢；

②標準內容解讀：對國際、國外、國內、行業仿真相關標準進行解讀；

③標準在線編制：提供標準在線編寫和試驗驗證流程管理與服務。

4 平臺實現關鍵技術

（1）支撐環境技術

支撐環境技術是一個支持并管理產品整個生命周期的設計過程和性能評估的一種活動，支持CAX/DFX（分布式協同）技術的開發。這種技術應能提供給設計所需要的分布式協同設計工具、數據、模型和協同環境等，支持產品的全生命周期的設計活動；能夠提供設計所需的數據庫、數據、仿真應用系統、可視化環境和協同仿真平臺等，能對復雜的產品的全生命周期做仿真和分析；能支持產品開發過程中將技術、組織和過程這三個關鍵要素有機的結合起來，能優化產品的數據、模型及項目的管理，可對不同工具及應用系統進行集成，并且能對并行工程學提供支持。

（2）系統總體技術

系統總體技術是從全局出發解決所涉及到的全局問題，來考慮構成系統的各個部分之間的相互關系而協調和規定各子系統的運行，并將這些組成有機整體，實現資源和信息共享，實現其總體目標。總體技術所涉及到的有規范化的體系結構，所采用的標準、規范和協議，網絡與數據庫技術，系統集成技術，集成工具以及系統運行模式等。

（3）一體化建模技術

一體化建模技術是通過提供既能在邏輯上形成一致，又可描述與產品的全生命周期所相關的各種信息的產品模型的描述方法，來支持各種不同的模型的集成、信息共享和協同運行，進而實現對不同層次的產品的功能、行為和外觀的模擬與描述；能支持虛擬模型在產品的全生命周期的表示一致性和信息共享與交換，以實現產品在全生命周期中的應用；能支持與模型相關的數據信息的提煉、交換與映射，以實現對產品的全方面的評估、分析與協同測試；能支持產品的各種模型之間的協同仿真與建模，以緊密集成運行環境與開發環境。

（4）協同仿真技術

協同仿真技術就是基于分布式仿真技術、信息管理技術與建模技術的一門綜合技術，是基于各領域的建模與仿真分析平臺工具和DFX/CAX技術發展起來的。協同仿真技術既包含在時間軸上對產品全生命周期的單點仿真分析，也強調在同一時間上不同人員、工具對同一產品對象在系統層面上的聯合仿真設計。協同仿真設計技術是不同領域的設計人員各自運用各自領域的專業設計與分析工具對復雜系統進行協同設計的有效途徑。

（5）信息、過程管理技術

開發過程中包含的管理技術主要有信息管理和過程管理，具體是指對數據和模型的管理及項目和過程的管理。其具體內容主要是設計人員的管理，產品數據和模型的管理，具體開發流程的確立、重組、優化及管理和工程項目的管理等。

5 結束語

標準的有效性和適用性是衡量標準質量的重要指標，而標準的試驗驗證是保證標準有效性和適用性的關鍵手段。本文對仿真標準試驗驗證及技術服務平臺建設進行了研究和探討，通過搭建一個多學科、全流程的標準試驗驗證平臺，為仿真技術標準研制提供試驗驗證保障，并為企業貫徹標準、應用仿真技術提供服務，必將極大地促進數字化仿真技術的應用和發展。