仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法研究與應(yīng)用

許成偉 張小雯

一、引言

航空行業(yè)廣泛采用計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等技術(shù)。基于CAE技術(shù)的產(chǎn)品數(shù)字化仿真最早作為產(chǎn)品驗證的手段而出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計流程中。如今，因為型號設(shè)計的復(fù)雜化和高速迭代等需求，仿真分析由于其可靠性、便捷性和經(jīng)濟性，日漸成為開發(fā)新機型的重要環(huán)節(jié)，并為航空研發(fā)企業(yè)提供了創(chuàng)新和應(yīng)對市場的強大動力。但是與此相伴而生的是任務(wù)協(xié)同、仿真流程管理和仿真數(shù)據(jù)管理的方法嚴重滯后，造成仿真分析方法千人千樣、仿真數(shù)據(jù)大量冗余和協(xié)同過程松散等問題。這些問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

◎多個專業(yè)之間獨立進行仿真分析，而且各專業(yè)使用的分析工具不同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)也很難統(tǒng)一。數(shù)據(jù)在專業(yè)、部門和工具之間的傳遞主要通過人工操作進行，不同工具之間還需要進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，這個過程效率低且效果差，數(shù)據(jù)質(zhì)量和及時性無法保證，不能滿足當(dāng)前多專業(yè)仿真數(shù)據(jù)管理的需要。

◎仿真分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分散保存在每個工程師的個人工作空間，沒有進行統(tǒng)一的規(guī)劃與管理，形成了數(shù)據(jù)孤島，這對協(xié)同設(shè)計過程的追溯、查詢以及后續(xù)的質(zhì)保和優(yōu)化等產(chǎn)生了較大的阻礙。

◎由于型號研發(fā)時間緊迫，研發(fā)任務(wù)繁重，往往會啟用大量年輕的仿真工程師以保證項目節(jié)點，人員經(jīng)驗的參差不齊使得許多成熟的仿真分析流程因為工具應(yīng)用和個人分析的差異，導(dǎo)致了分析結(jié)果的差異性，制約了對設(shè)計結(jié)果性能的正確驗證。

為解決以上問題，亟需通過仿真流程和數(shù)據(jù)管理的方法研究和平臺建設(shè)，規(guī)范和統(tǒng)一產(chǎn)品性能驗證的仿真分析流程，以保證驗證結(jié)果的可信度與有效性。同時，需要將仿真分析過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進行有效管理，以保證數(shù)據(jù)的可控制、可查詢與可追溯性，從而全面提升型號設(shè)計的數(shù)字化性能仿真協(xié)同能力。

為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，需要從如下三個方向?qū)Ψ抡媪鞒毯蛿?shù)據(jù)管理的方法研究和平臺建設(shè)進行考慮和規(guī)劃：

◎讓仿真數(shù)據(jù)更直接地服務(wù)于飛機型號研發(fā)，從現(xiàn)有的仿真數(shù)據(jù)中快速高效地提取出對研發(fā)最有用的信息，是仿真存在的根本意義之一。要想真正縮短從概念到上市的周期，必須使仿真數(shù)據(jù)更易于抓取和解讀。

◎使以往的仿真數(shù)據(jù)服務(wù)于新型號的設(shè)計。因為航空行業(yè)日復(fù)一日的生產(chǎn)活動有其延續(xù)性，積累的仿真知識日益豐富。如果能有效地將已有的仿真數(shù)據(jù)組織起來為未來的新產(chǎn)品提供借鑒，將大大提升企業(yè)的創(chuàng)新能力和靈活性。

◎更合理有效地組織仿真活動，讓仿真分析人員更好地協(xié)同，以實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的知識共享和信息實時流動，并將這一過程置于既嚴格又靈活的管理之下。

對于以上問題，如果僅通過擴展的PDM系統(tǒng)來對仿真數(shù)據(jù)進行管理，對于仿真過程及其海量仿真文件和數(shù)據(jù)缺乏有效的組織和管理，將很難適應(yīng)仿真分析人員的實際工作需要。對于龐雜的仿真數(shù)據(jù)來說，專業(yè)的仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法與平臺可以提供基于仿真分析流程的仿真數(shù)據(jù)的清晰管理和深度搜索，幫助仿真人員和企業(yè)將仿真流程和數(shù)據(jù)高效的管理起來，并形成企業(yè)的經(jīng)驗資產(chǎn)和知識積累，具有重要和長遠的意義。

二、仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法

仿真流程和數(shù)據(jù)管理應(yīng)實現(xiàn)仿真分析流程控制和管理功能，將相關(guān)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺提供數(shù)據(jù)接口以實現(xiàn)與工具軟件、高性能計算機以及其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成與交互，同時提供基礎(chǔ)的權(quán)限管理模型、數(shù)據(jù)檢索模型和數(shù)據(jù)組織交互模型，仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法及平臺原理架構(gòu)如圖1所示。

整個仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺建設(shè)中，通過建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各專業(yè)在仿真共有數(shù)據(jù)上的協(xié)同，所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都進行統(tǒng)一的版本和權(quán)限管理，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更改與維護，改變這些數(shù)據(jù)在目前狀況下各自收集和各自輸入的狀態(tài)，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的協(xié)同。

在仿真流程的規(guī)范與管理上，通過對成熟分析流程及相應(yīng)分析工具、流程更改以及結(jié)果報告生成等進行模板化管理，以統(tǒng)一規(guī)范現(xiàn)有各專業(yè)仿真分析流程，盡量消除由于人為因素導(dǎo)致的產(chǎn)品性能驗證方法多變和結(jié)果差異性較大等情況，形成統(tǒng)一可靠的仿真結(jié)果，以此來提升型號研制的仿真能力。

在提升型號質(zhì)量方面，通過對成熟專業(yè)全面引入多學(xué)科優(yōu)化分析來擴大產(chǎn)品的設(shè)計探索空間，平衡各專業(yè)之間的設(shè)計需求，獲得相對優(yōu)化的設(shè)計方案。通過對專業(yè)之間的仿真流程相互映射，實現(xiàn)各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，消除現(xiàn)有專業(yè)之間人工進行參數(shù)與文件傳遞的現(xiàn)狀。

對于航空行業(yè)企業(yè)研發(fā)來說，仿真分析數(shù)據(jù)是和設(shè)計數(shù)據(jù)一樣重要的企業(yè)資產(chǎn)，而且仿真數(shù)據(jù)的管理模式與仿真分析流程息息相關(guān)，這與基于產(chǎn)品設(shè)計的PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式差別很大。基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的PDM系統(tǒng)很難通過擴展來有效管理仿真數(shù)據(jù)，而且仿真分析涉及到空氣動力學(xué)、熱學(xué)、控制和結(jié)構(gòu)力學(xué)等眾多學(xué)科，涉及到學(xué)科之間的優(yōu)化，流程復(fù)雜。另外仿真分析工具種類繁多，分析數(shù)據(jù)格式不一，仿真分析也沒有設(shè)計數(shù)據(jù)那樣清晰的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

三、仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法應(yīng)用

基于以上方法，采用達索3D Experience平臺，定制開發(fā)仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺SPDM，通過某型號副翼及其操縱系統(tǒng)的仿真分析業(yè)務(wù)場景，驗證仿真流程和數(shù)據(jù)管理的方法。應(yīng)用的場景框架圖如圖2所示。

1、任務(wù)協(xié)同管理

針對載荷集成室、外部綜合室和主控制翼面室（結(jié)構(gòu)）三個專業(yè)在某型號副翼及其操縱系統(tǒng)研發(fā)中的仿真業(yè)務(wù)過程，進行任務(wù)協(xié)同管理應(yīng)用。

（1）載荷集成室

載荷集成室的副翼及其操縱系統(tǒng)研發(fā)業(yè)務(wù)流程是進行作動器強度的需求匯總，以及作動器強度分析的評估和審核。在典型的作動器研發(fā)業(yè)務(wù)流程中，載荷集成室參與由飛控組織的IPT聯(lián)合團隊，接收到飛控部門發(fā)送的RFP需求邀請單后，進行副翼作動器強度需求的填寫，由飛控匯總需求后交由供應(yīng)商進行設(shè)計及強度校核，而后供應(yīng)商將結(jié)果提交至各參與部門進行迭代，其典型業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

在SPDM平臺中，通過項目創(chuàng)建-人員創(chuàng)建-任務(wù)分解及分配-子任務(wù)創(chuàng)建-任務(wù)甘特圖編制-任務(wù)分派-任務(wù)執(zhí)行-任務(wù)進度變更-任務(wù)交付物提交-任務(wù)監(jiān)控等過程，完成了載荷集成室的任務(wù)協(xié)同管理，如圖4和圖5所示。

（2）外部綜合室

外部綜合室的副翼及其操縱系統(tǒng)設(shè)計業(yè)務(wù)是進行副翼外形數(shù)模設(shè)計。在典型的副翼外形數(shù)模設(shè)計流程中，首先外部綜合室組建IPT團隊，外部綜合室工程師在機翼外形數(shù)模的基礎(chǔ)上進行副翼外形數(shù)模設(shè)計，將副翼外形設(shè)計結(jié)果發(fā)起會簽流程，由飛控專業(yè)、布置專業(yè)、氣動專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)等共同組織會簽。典型業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

在SPDM平臺中，創(chuàng)建外部綜合室的研發(fā)任務(wù)及任務(wù)分派流程，通過協(xié)同管理方法，實現(xiàn)外部綜合室的任務(wù)協(xié)同管理，如圖7和圖8所示。

（3）主控制翼面室（結(jié)構(gòu)）

主控制翼面室結(jié)構(gòu)專業(yè)副翼及其操縱系統(tǒng)研發(fā)的業(yè)務(wù)是進行副翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在典型的副翼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程中，首先進行各部門需求溝通，這種交流貫穿于項目整個過程，結(jié)構(gòu)工程師進行任務(wù)的執(zhí)行，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，與強度專業(yè)進行迭代，強度工程師將校核報告反饋給結(jié)構(gòu)專業(yè)，當(dāng)校核通過后，結(jié)構(gòu)專業(yè)繼續(xù)與工藝專業(yè)迭代，由工藝專業(yè)進行校核，提供結(jié)構(gòu)-工藝協(xié)調(diào)單。典型業(yè)務(wù)流程如圖9所示。

在SPDM平臺中實現(xiàn)的主控制翼面室結(jié)構(gòu)專業(yè)的任務(wù)協(xié)同管理如圖10、圖11和圖12所示。

2、仿真流程管理

實際工作中，在主控制翼面室的結(jié)構(gòu)和強度專業(yè)，仍存在不少需要迭代優(yōu)化的仿真流程，以一般組件的減重或減少應(yīng)力集中設(shè)計為例，需要“結(jié)構(gòu)專業(yè)進行初始設(shè)計-強度專業(yè)進行分析-結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)反饋意見進行模型修改-再分析-再設(shè)計”的重復(fù)性工作，使仿真工程師深陷常規(guī)的成熟分析流程，減少了在新技術(shù)上的研究精力，不利于企業(yè)創(chuàng)新。

基于以上現(xiàn)狀，利用協(xié)同研發(fā)平臺的仿真優(yōu)化設(shè)計功能，可以進行設(shè)計-仿真的協(xié)同優(yōu)化，通過仿真流程中的優(yōu)化算法控制變量的取值，自動化運行多種參數(shù)組合的工況，并對結(jié)果進行提取，利用數(shù)據(jù)挖掘及決策支持功能，進行結(jié)果的優(yōu)選。

根據(jù)主控制翼面室-強度專業(yè)的典型業(yè)務(wù)，結(jié)合設(shè)計與仿真的常規(guī)需求，進行了兩種優(yōu)化流程的搭建及運行，如圖13所示。

在SPDM平臺中，搭建的流程及優(yōu)化分析結(jié)果如圖14和圖15所示。

3、仿真數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理方面，通過“書簽文件夾+屬性組"的方式進行管理，針對業(yè)務(wù)部門仿真數(shù)據(jù)的層級結(jié)構(gòu)，建立如圖16所示的書簽文件夾結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)版本管理方面，在創(chuàng)建文檔時，依據(jù)數(shù)據(jù)情況，創(chuàng)建版本文檔與非版本文檔，對于需要進行版本管理的數(shù)據(jù)創(chuàng)建版本文檔進行管理，對于只需要管理最終版本的文檔創(chuàng)建非版本文檔進行管理，如圖17所示。

仿真知識庫方面，構(gòu)建了關(guān)于副翼及其操縱系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計過程中的仿真流程的知識庫，并對知識庫進行維護、控制和數(shù)據(jù)共享。仿真知識庫的構(gòu)建內(nèi)容如圖18所示

四、結(jié)論

通過仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法研究與應(yīng)用，驗證了搭建的SPDM平臺，滿足某型號副翼及其操縱系統(tǒng)的研發(fā)仿真過程，使得設(shè)計研發(fā)企業(yè)實現(xiàn)：

◎?qū)⒎抡娓玫卣系疆a(chǎn)品開發(fā)過程中；

◎?qū)崿F(xiàn)權(quán)責(zé)分明的仿真管理，有效地跟蹤仿真過程；

◎從浩瀚的仿真數(shù)據(jù)中快速和精準(zhǔn)地找到完整的相關(guān)數(shù)據(jù)；

◎以工程優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)為導(dǎo)向，在設(shè)計早期能較準(zhǔn)確地評估設(shè)計方案的性能；

◎?qū)⒎抡鎸＜业膫€人知識轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)內(nèi)部共享的知識。