仿真标准试验验证及技术服务平台建设探讨

中机生产力促进中心□陈 杰 潘康华 王云峰 陈景玉

1 引言

数字化仿真技术是缩短产品研制周期、提高生产效率的有效技术手段。近年来，随着计算机技术和信息技术的飞速发展，数字化仿真技术在机械行业企业中得到了较为普遍的应用。但是，应用的成熟度还比较低，缺乏仿真技术应用和工作过程的规范性指导，与产品研发体系的数据和流程集成度不高。表现在标准化方面，存在着关键技术标准缺失、配套验证方法和工具不健全、标准有效性和适用性较差等问题，极大的制约了数字化仿真技术的广泛、有效应用。基于此，本项目从工程应用的角度出发，围绕机械行业企业数字化仿真技术应用需求，开展机械产品工艺设计仿真及信息集成关键技术标准研究，研制七项国家标准草案。

标准的有效性和适用性是衡量标准质量的重要指标，而标准的试验验证是保证标准有效性和适用性的关键手段。近年来，国内外许多高校和商业企业对仿真管理平台开展了一些研究。西北工业大学的贺朝霞等对复杂机械产品的协同仿真环境数据管理系统进行了研究，对仿真流程建模与仿真分析执行过程中产生的各类数据和数据文档进行了特点分析与分类，基于协同仿真平台的功能框架，设计了关系数据库与内容仓库协同工作的数据管理系统，并构建了技术架构。北京理工大学的孙鹏文等对复杂产品协同仿真技术进行了研究，在分析复杂产品协同仿真特点、主要仿真类型及其协作模式、协同仿真平台功能的基础上，研究了以PDM为支撑系统，通过拓展其功能和性能的协同仿真平台及其体系结构，并就协同仿真建模、模型生成方法、模型重用、仿真模型库/数据库等关键技术进行了探讨。清华大学的岳英超等对面向高速动车组列车的协同仿真平台进行了研究，提出了协同仿真平台的体系架构，并详细阐述了协同平台中的关键技术。清华大学的王克明等对复杂产品的协同设计与仿真技术进行了研究，从复杂产品设计需求出发，讨论了多领域协同仿真技术的特点和实现方式，重点分析了遵循HLA规范的协同仿真模式，并进一步研究了基于多领域协同仿真的复杂产品设计及其关键技术。哈尔滨工程大学的赖明珠等对基于HLA的多领域协同仿真模型集成技术进行了研究，以高层体系结构为软总线，利用分布式数据库、文件模拟数据库和XML技术，统一不同领域软件的仿真模型定义规范，采用面向服务架构的方式构建子模块，将各领域仿真软件松散耦合到虚拟样机协同仿真平台中。此外，一些商业公司也开发了一些仿真管理平台，如ANSYS EKM、安世亚太PERA、瑞风协同DENOVA等。

本文在仿真标准试验验证及技术服务平台需求分析的基础上，提出了平台的体系架构，并对平台实现的关键技术进行了研究。

2 需求分析

（1）数据管理功能

机械产品设计工艺仿真过程中会产生大量的、各种类型的仿真数据，平台应能具备专业的仿真数据管理功能，保证数据集中管理，减少大量查找仿真数据的时间，快速获取数据，积累、重用仿真历史数据。仿真数据管理功能除了提供对数据的批量上传下载、数据检索、数据版本管理及检入/检出等基本功能外，还可以针对上传的数据进行信息处理，并且允许从PLM/PDM系统传输文件到仿真标准试验验证平台，同时数据属性随文件传送，可以在平台中确认数据更新状态，将验证数据或者数据文件从试验验证系统平台传送回PLM/PDM系统，以支撑仿真验证结果的可靠性。

（2）流程管理功能

平台应该具有仿真流程管理功能，通过仿真流程将仿真过程、仿真数据、仿真经验和规范以及仿真人员集成在一起，实现整个过程的协同、标准化和规范化及部分仿真过程的自动化。仿真流程中包括数据流和控制流，应提供灵活、直观的仿真流程数据流和控制流的定制方式，并能够对仿真流程进行监控。

（3）系统管理功能

系统管理功能主要涉及仿真标准试验验证系统的安全性、客户个性化需求配置等内容。在安全性方面，系统能够对数据的访问及操作权限进行配置；能够划分独立的数据分区，允许对各分区数据进行独立的用户及权限配置；能够对数据进行全生命周期管理，并自动完成数据生命周期各阶段的用户及权限配置。

（4）技术服务功能

该平台除了能对仿真标准进行试验验证以外，还应提供相应的仿真服务，为不同领域的仿真用户提供产品设计工艺仿真服务，如需求发布、供需对接、仿真服务机构能力展示、仿真资源共享、标准查询、标准解读等，降低机械行业企业实施数字化仿真技术的门槛，推动数字化仿真技术的应用和发展。

3 平台架构

采用面向服务 （SOA）的体系结构思想，基于可扩展建模仿真框架 （XMSF）/模型驱动体系结构 （MDA）规范，结合Web/Web Service/云计算和HLA/RTI体系结构，构建面向服务、开放、普适的仿真标准试验验证及技术服务平台，有效连接高性能计算平台 （云计算、集群计算等）、各种仿真软件工具和硬件设备，为机械产品设计工艺仿真提供了富于操作性、灵活性和协同性的执行能力。平台主要包括资源层、核心服务层、管理系统层和应用层四个方面，平台功能架构如图1所示。

图1 机械产品设计工艺仿真标准试验验证及技术服务平台架构

平台主要由以下模块组成：

（1）资源层

资源层主要用于提供机械产品多学科设计工艺仿真过程中调度使用的各类资源，包括：存储资源、仿真报告模板、仿真模型库、仿真知识库、仿真标准资源、各类计算资源 （包括集群等高性能计算资源）、各类设计工艺仿真CAD/CAE工具资源、多学科优化工具/算法资源、CAD/CAE数据转换工具资源以及各类服务器/工作站/VR等设备资源等。

（2）核心服务层

核心服务层主要用于提供面向机械产品多学科设计工艺仿真的核心服务，包括：

1）多种仿真机制管理服务，提供协同设计仿真过程中的各类仿真推进机制的协调与管理；

2）仿真资源动态管理与优化配置服务，提供资源的部署、注册、智能化发现调度、监控和优化配置管理功能；

3）设计和工艺仿真流程自动化调度服务，提供面向多学科设计工艺仿真全过程的流程自动化调度与优化功能；

4）分布、交互、协同仿真组合调度服务，提供面向多学科的分布、交互、协同仿真；

5）协同可视化引擎服务，提供协同3D可视化显示功能；

6）ADAMS、 Creo、 Matlab、 ABAQUS 等分析工具，提供产品设计及工艺仿真所涉及的各种仿真分析工具；

7）Web Service、云计算等资源服务中间件和PDM产品，提供产品数据管理以及构造标准化程度高的Web服务；

8）基于Web的HLA/RTI分布交互仿真（XMSF）中间件，提供面向Internet/网格环境中协同仿真的联邦级运行支撑功能。

（3）管理系统层

为了方便对标准试验验证所涉及的仿真数据、仿真过程和仿真资源进行管理，面向多学科领域，构建机械产品仿真试验验证管理系统，系统可以与主流的仿真分析工具、CAD软件、CAPP软件、PDM系统集成，支持分布式仿真高层体系结构HLA，具有通用性、开放性和可扩展性。主要分为以下几个模块：

1）冷加工工艺仿真验证模块：本模块基于大型商用建模软件开发冷加工 （主要指机加工）工艺仿真验证系统，通过输入车、铣、刨、磨等不同加工工艺类型零件的三维实体模型，设置机床仿真环境、刀具、夹具、毛坯、NC程序等，自动执行加工过程仿真，最后输出刀具轨迹演示动画、过切和残余验证报告、NC代码文件等。

2）热加工工艺仿真验证模块：本模块基于大型商用有限元分析软件开发热加工工艺仿真验证系统，通过输入铸造、锻造、焊接等不同加工工艺类型零件的几何简化模型，设置前处理相关参数，选择求解程序进行数值计算，最后显示与输出应力场、位移场、温度场、速度场等仿真结果文件。

3）装配仿真验证模块：本模块基于大型商用建模软件开发装配仿真验证系统，在虚拟装配场景中对装配模型的各装配单元的装配过程进行操作仿真，或对已经装配好的对象进行拆卸操作仿真，并根据虚拟装配操作仿真过程获得的信息进行装配过程规划，包括装配单元装配顺序与运动路径规划、装配过程的干涉与碰撞分析、装配过程的操作空间分析等，最终获得装配对象最佳的装配顺序与路径，以及可装配性信息。

4）生产线布局仿真验证模块：本模块通过开发生产线布局仿真验证系统，根据生产线规划和布局设计信息，建立生产线规划和布局仿真物理模型，一般包括加工、运输及辅助设备设施，结合场地、空间和各种约束条件，对各类资源进行规划和布局，根据仿真结果对生产线规划和布局进行调整优化。

5）模型构建与转化模块：本模块基于大型商用建模软件与有限元分析软件开发模型构建与转化仿真验证系统，通过读取建模软件提供的设计模型或工艺模型，自动输出模型的坐标系、单位制、几何比例、精度、模型完整性等方面信息，并根据仿真软件需要在平台中选择单位制、几何比例、精度等内容，自动生成符合仿真软件需求的设计模型或工艺模型。

6）仿真数据管理验证模块：本模块与主流的企业数据管理系统集成，通过建立典型工艺仿真流程，实现工艺仿真数据的集成化管理，验证《机械产品工艺仿真 数据管理要求》标准技术内容。

7）仿真资源管理验证模块：标准试验验证过程中需要使用大量的仿真资源，具体包括仿真报告模板、仿真模型、仿真案例和仿真标准等，针对这些需求，本模块收集、整理相关资源并进行补充完善，分别建设成仿真报告模板库、仿真模型库、仿真知识库、仿真标准资源库等机械产品仿真资源库。

8）开放接口：为了保证机械产品仿真试验验证管理系统的开放性和可扩展性，确保该系统能够对后续研制的数字化仿真标准进行试验验证，提供二次开放接口，方便对系统功能进行修改、完善。

（4） 应用层

应用层提供了面向机械产品设计工艺仿真的各类门户工具，包括产品设计工艺仿真平台和产品数字化仿真技术应用公共服务平台等。

1）产品设计工艺仿真服务门户

面向机械产品设计工艺仿真需求，提供相应的仿真服务界面，为不同领域的仿真用户提供产品设计工艺仿真服务。用户可以通过仿真服务界面按照要求输出仿真所需的参数、初始模型等，仿真试验验证管理系统接到仿真任务后，进行仿真分析，并将仿真分析结果显示到仿真服务界面中。

2）产品数字化仿真技术应用公共服务平台

着眼集聚化、协同化和服务化的目标，围绕机械行业企业数字化仿真标准研制、试验验证、仿真资源和仿真服务等需求，整合优质标准研制、试验、资源、服务机构等能力，以资源共享规则为核心，定义资源管理和仿真协同服务等标准规范和流程，通过云计算、移动互联网技术，构建能够面向机械行业企业提供数字化仿真技术应用和标准宣贯实施的公共服务平台——产品数字化仿真技术应用公共服务平台 （平台架构如图2所示），降低机械行业企业实施数字化仿真技术的门槛，为机械行业企业全面推行智能设计、建设智能工厂奠定基础。

图2 产品数字化仿真技术应用公共服务平台架构图

公共服务平台主要功能包括：

a）仿真能力支持

①仿真服务机构：为仿真技术研究和服务机构提供形象宣传，资质、案例、设备等仿真能力展示，服务介绍和信誉评价等；

②需求发布服务：为用户提供仿真、标准、试验验证等需求发布服务，支持公共、定向发布能力；

③供需对接服务：为用户和仿真服务机构对接提供对接、交易和服务评价等。

b）仿真资源服务

①仿真相关软件下载：提供产品数字化仿真数据管理系统等软件下载试用功能；

②仿真技术培训：提供ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、ADINA等常用CAE软件和Pro/E、NX、CATIA等主流CAD软件相关的在线视频教程与其他培训材料；

③仿真资源共享：提供仿真报告模板库、仿真模型库、仿真知识库、仿真标准资源库等仿真资源下载；

④实验室共享服务：整合优质实验室资源，开放实验室仿真能力，实现资源共享。

c）仿真标准化服务

①标准信息咨询：跟踪国内外仿真领域标准化发展动态，提供国际、国外、国内、行业仿真相关标准信息咨询；

②标准内容解读：对国际、国外、国内、行业仿真相关标准进行解读；

③标准在线编制：提供标准在线编写和试验验证流程管理与服务。

4 平台实现关键技术

（1）支撑环境技术

支撑环境技术是一个支持并管理产品整个生命周期的设计过程和性能评估的一种活动，支持CAX/DFX（分布式协同）技术的开发。这种技术应能提供给设计所需要的分布式协同设计工具、数据、模型和协同环境等，支持产品的全生命周期的设计活动；能够提供设计所需的数据库、数据、仿真应用系统、可视化环境和协同仿真平台等，能对复杂的产品的全生命周期做仿真和分析；能支持产品开发过程中将技术、组织和过程这三个关键要素有机的结合起来，能优化产品的数据、模型及项目的管理，可对不同工具及应用系统进行集成，并且能对并行工程学提供支持。

（2）系统总体技术

系统总体技术是从全局出发解决所涉及到的全局问题，来考虑构成系统的各个部分之间的相互关系而协调和规定各子系统的运行，并将这些组成有机整体，实现资源和信息共享，实现其总体目标。总体技术所涉及到的有规范化的体系结构，所采用的标准、规范和协议，网络与数据库技术，系统集成技术，集成工具以及系统运行模式等。

（3）一体化建模技术

一体化建模技术是通过提供既能在逻辑上形成一致，又可描述与产品的全生命周期所相关的各种信息的产品模型的描述方法，来支持各种不同的模型的集成、信息共享和协同运行，进而实现对不同层次的产品的功能、行为和外观的模拟与描述；能支持虚拟模型在产品的全生命周期的表示一致性和信息共享与交换，以实现产品在全生命周期中的应用；能支持与模型相关的数据信息的提炼、交换与映射，以实现对产品的全方面的评估、分析与协同测试；能支持产品的各种模型之间的协同仿真与建模，以紧密集成运行环境与开发环境。

（4）协同仿真技术

协同仿真技术就是基于分布式仿真技术、信息管理技术与建模技术的一门综合技术，是基于各领域的建模与仿真分析平台工具和DFX/CAX技术发展起来的。协同仿真技术既包含在时间轴上对产品全生命周期的单点仿真分析，也强调在同一时间上不同人员、工具对同一产品对象在系统层面上的联合仿真设计。协同仿真设计技术是不同领域的设计人员各自运用各自领域的专业设计与分析工具对复杂系统进行协同设计的有效途径。

（5）信息、过程管理技术

开发过程中包含的管理技术主要有信息管理和过程管理，具体是指对数据和模型的管理及项目和过程的管理。其具体内容主要是设计人员的管理，产品数据和模型的管理，具体开发流程的确立、重组、优化及管理和工程项目的管理等。

5 结束语

标准的有效性和适用性是衡量标准质量的重要指标，而标准的试验验证是保证标准有效性和适用性的关键手段。本文对仿真标准试验验证及技术服务平台建设进行了研究和探讨，通过搭建一个多学科、全流程的标准试验验证平台，为仿真技术标准研制提供试验验证保障，并为企业贯彻标准、应用仿真技术提供服务，必将极大地促进数字化仿真技术的应用和发展。