一種基于Workbench的仿真管理通用平臺設計方法

雷靜 金俊玲 彭名剛 徐匯

摘要：仿真管理通用平臺設計方法是根據船舶設計仿真特點，在梳理現有各設計階段流程的基礎上，基于Ansys WorkBench，通過集成各類仿真軟件工具，研制適用于船舶方案設計階段、詳細設計階段的仿真管理平臺，用于導通船舶設計各階段仿真軟件之間的數據流，并實現設計全過程仿真數據管理。

關鍵詞：船舶設計；仿真管理；通用平臺

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0169-03

1 引言

船舶設計包含總體、結構、流體、電磁等多專業，船舶設計仿真作為設計的重要支撐手段，主要用于解決多型船舶研制在方案設計階段、技術設計階段等階段的專業性能估算和優化設計任務。目前船舶設計使用的仿真軟件種類繁多，如ANSYS、PATRAN、NASTRAN、SYSNOISE、VA.ONE，Abaqus、HFSS等商用CAE軟件，及各類自研軟件。盡管仿真軟件種類繁多，但在各專業在設計過程的流程化和數據管理方面又有共性。

本文提出一種適用于多專業的基于Workbench的仿真管理通用平臺設計方法，用于解決通用CAE軟件離散應用，聯通各個工作環節，加強設計過程中人員溝通協同，提高設計效率低，縮短研發周期，促進自主設計和創新能力的提高。

2 船舶設計仿真特點

船舶設計仿真一般應用在各專業的方案設計和詳細設計兩個階段，在仿真過程中需要進行大量的模型調整、網格調整、邊界條件選取及求解設置等工作，此外在方案設計和詳細設計過程中，每個階段都會產生大量的數據，各項設計和仿真工作之間存在各種數據傳遞。

現有各專業仿真設計過程中，仿真工具軟件各自獨立，數據銜接主要依賴人工完成，無法滿足不同軟件間的數據自動傳遞需求。

因此需要對設計流程進行梳理，對設計工具進行靈活集成，對設計仿真過程數據進行集中、統一管理，滿足數據的共享、管理和使用等應用需要，以減輕設計人員數據處理的工作量，提高設計分析工作的效率、精確度和可靠性。

2.1 方案設計階段

方案設計階段是對船舶各專業參數估算和性能評估的過程，主要工作是根據母型船各專業能參數和各設備性能參數，依據提出的性能要求，建立初步模型，針對初步模型進行各種專業性能估算。

該過程除通用CAE軟件外，實際仿真設計工作中還存在自研程序繁多，應用方式、數據格式不統一等問題。

2.2 詳細設計階段

詳細設計階段是各專業性能詳細計算過程，主要基于船舶結構模型和專業性能預報庫建立仿真模型，從材料庫中提取材料信息，對建立的模型進行有限元網格劃分；從船舶各專業性能庫、激勵庫中提取相關信息，作為邊界條件施加在建立的有限元模型上；應用Ansys/Patran等商用軟件進行有限元求解；提取Ansys/Patran有限元數據導入Sysnoise、FLUENT等軟件中，實現專業性能精確分析。

詳細設計完成后，獲得各類詳細專業性能指標，與試驗結果進行對比分析，最終生成專業性能分析報告。

3 通用仿真管理平臺設計

針對船舶各專業設計業務在方案設計和詳細設計階段的仿真應用需求，為提高專業數字化研發的效率和能力，支持實現船舶各專業仿真設計研發過程的協同工作，本文提出一種基于Ansys Workbench的通用仿真管理平臺設計方法[1]。具體包括：

（1）通用仿真平臺架構。

（2）系統集成開發環境。開發環境包括：各類設計工具集成方法仿真過程數據管理等。

（3）工具軟件集成方法。本單位在此基礎上定制開發了船舶聲學仿真設計管理平臺，投入實際工程應用[2]。

3.1 平臺架構

仿真管理通用平臺架構如圖1所示，包含以下內容：

（1）基礎支撐環境。以ANSYS Workbench的開放式開發框架和ANSYS EKM作為船舶各專業仿真設計管理平臺的基礎支撐環境。

（2）專業應用環境。通過配置集成各類專業仿真工具，實現船舶各專業方案設計、詳細設計應用流程的規范化和可視化。

（3）數據管理系統。通過數據管理系統實現技術人員仿真協同過程中的數據區管理、數據結構樹管理、數據對象操作、數據版本管理、專業基礎數據管理、個人數據管理、公共數據管理、專業基礎數據管理、符合信息系統保密測評要求的數據文件加密存儲管理、三員管理、文件管理等。

（4）與外部系統接口。實現船舶各專業仿真管理平臺與外部CAE軟件接口、自研程序之間的應用集成、平臺門戶及安全管理、與高性能計算平臺調度軟件集成的接口。

3.2 系統開發環境

3.2.1 系統基礎開發環境

通用仿真設計管理平臺采用ANSYS Workbench作為系統基礎開發環境（圖2所示，為ANSYS Workbench基礎框架），采用C#語言和插件開發技術（Addin）實現各類CAE軟件工具、自研軟件的集成和擴展。

3.2.2 數據管理

通過分析船舶各專業設計過程各階段的輸入輸出模型和各類計算數據，對船舶各專業設計仿真過程中數據格式各異的關鍵技術問題，采用ANSYS EKM對CAE仿真軟件間的數據接口進行二次開發，定義出規范的數據流，實現數據格式的自動轉換和數據傳遞，實現仿真模型、輸入輸出記錄、處理結果的存儲和恢復（如圖3所示）。

3.3 工具軟件集成方法

工具軟件集成功能主要實現專業仿真過程中使用到的商業軟件（包含ANSYS、PATRAN、NASTRAN、SYSNOISE、VA.ONE）和自研軟件的封裝調用和數據傳遞。

在Workbench架構下集成Ansys、Patran、Sysnoise、VA.One等外部程序的主要接口，關聯仿真前處理、計算、后處理的各類工具，實現流程集成，最終實現一個可用于工程仿真的多種仿真工具集成平臺[3]。

工具集成是通過XML配置方式實現各種商業軟件及自研軟件的封裝。以商業軟件集成為例，軟件集成針對Ansys、Patran、Va.One、Sysnoise、Actran、Virtual Lab，實現集成界面定義、模型導入、程序調用、數據傳遞和保存工程等常用功能。

使用過程是通過對商業軟件XML配置文件進行解析（如圖4所示），獲取軟件啟動路徑，以命令行方式打開商業軟件，從上游獲取模型文件，并注冊相關的工程文件。

以某專業仿真設計間數據傳遞為例，仿真過程涉及Design Modeler、Ansys、Patran、Va.One、Sysnoise等軟件。它們之間的數據傳遞關系及格式要求如圖5所示，分別為：Ansys到Sysnoise、Ansys到Va.One、Patran到Sysnoise、Patran到VA.One、Design Modeler到ansys、Design Modeler到Patran。

4 結語

通過對船舶各專業設計過程中的仿真軟件使用需求和數據管理特點的分析，本文提出適合各專業仿真管理的通用平臺設計方法。本單位成功應用該方法設計、實施了一套適合聲學專業協同仿真的仿真設計管理平臺，驗證采用該方法設計的仿真管理平臺，集船舶各專業仿真設計的業務分析，工具集成、數據管理于一體，可有效提高船舶設計仿真的效率和數據管理的質量，進而提高各專業數字化研發能力，最終有力地保障船舶產品科研生產。

參考文獻

[1]李范春.ANSYS Workbench設計建模與虛擬仿真[J].電子工業出版社，2011.

[2]買買提明.艾尼.ANSYS Workbench 14.0仿真技術與工程實踐[J].清華大學出版社，2013.

[3]王國峰.Workbench的基礎應用——流體仿真[J].國防工業出版社，2012.

Abstract：The general platform design method of simulation management is based on the characteristics of ship design simulation. On the basis of combing the existing design process， based on Workbench， through the integration of all kinds of simulation software tools， a simulation management platform suitable for ship scheme design and detailed design phase is developed. The platform leads the data flow between different simulation software and realized the simulation data management.

Key words：ship design； simulation management； general platform