航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究

田彥明　竇云江　李忠飛

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造加工等各階段大量采用了仿真技術(shù)，仿真技術(shù)提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，縮短了研制周期。但產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)也在急劇增長，帶來了數(shù)據(jù)管理的問題，同時(shí)仿真分析流程非常復(fù)雜，仿真過程中形成的知識(shí)無法進(jìn)行有效積累和重用。針對(duì)上述問題，文章提出了建設(shè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的解決方案，提供了有關(guān)流程管理、數(shù)據(jù)管理和仿真知識(shí)庫管理的建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程；仿真數(shù)據(jù)；有限元；協(xié)同平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP233.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）12-0017-02

1 研究背景概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)是一個(gè)集設(shè)計(jì)、分析仿真、試驗(yàn)于一體的系統(tǒng)工程，需要協(xié)調(diào)眾多的工程人員，需要處理海量的仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源，運(yùn)用大量不同領(lǐng)域的仿真軟件和工具，經(jīng)歷復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助工具體系雖然已經(jīng)不斷建立和完善，但是面對(duì)實(shí)際的復(fù)雜研發(fā)過程還存在諸多挑戰(zhàn)。

一方面，設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造的周期需要壓縮，另一方面，這些過程更具有復(fù)雜性。表現(xiàn)在設(shè)計(jì)與仿真的交互更為頻繁，仿真的類型更為全面化，學(xué)科從廣義的CAE分析，到CFD流體技術(shù)，電磁仿真，液壓仿真，光學(xué)仿真等各個(gè)方面，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段被廣泛應(yīng)用。

隨著仿真的大量應(yīng)用，隨之帶來了大量的業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以及流程都迫切需要管理，而且仿真的流程也需要標(biāo)準(zhǔn)化。

由于設(shè)計(jì)和仿真密切的業(yè)務(wù)聯(lián)系，仿真數(shù)據(jù)需要同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一起被納入到企業(yè)信息管理系統(tǒng)之內(nèi)，并且保證設(shè)計(jì)和仿真數(shù)據(jù)以及流程的高效協(xié)同。

為了突破傳統(tǒng)CAE仿真工具體系的局限性，分立的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)境需要向著集成化、綜合化的集成平臺(tái)方向發(fā)展。

在總結(jié)以往設(shè)計(jì)、分析、仿真工作流程、工具應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，打造更為高效的工作流程環(huán)境，急需建設(shè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)的構(gòu)想是：以解決設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)、過程和工具的管理問題中的仿真數(shù)據(jù)管理為核心，有效整合企業(yè)內(nèi)軟、硬件資源，提高設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)業(yè)務(wù)流程

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)過程分為三個(gè)大的階段：需求階段、設(shè)計(jì)階段、制造階段，在這幾個(gè)階段中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的主要數(shù)據(jù)。

而產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是通過確認(rèn)和驗(yàn)證（V&V）過程來保證需求的符合、設(shè)計(jì)的正確以及產(chǎn)品的正確。這也是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的系統(tǒng)工程流程，如圖1所示。

確認(rèn)和驗(yàn)證過程主要分為需求確認(rèn)、方案驗(yàn)證、產(chǎn)品驗(yàn)證、產(chǎn)品確認(rèn)四個(gè)部分。在確認(rèn)和驗(yàn)證過程中，仿真數(shù)據(jù)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程起著重要的驗(yàn)證作用。

仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是面向仿真的數(shù)據(jù)管理，承擔(dān)起支持設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中完成方案驗(yàn)證的任務(wù)。

這階段的主要工作是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)頂層產(chǎn)品設(shè)計(jì)分解下來的需求、參數(shù)、和指標(biāo)，來進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)方案是否正確，也就是說設(shè)計(jì)是否符合需求的過程我們要通過需求的驗(yàn)證來完成，而需求的驗(yàn)證工作在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的早期，最主要的手段就是仿真。

2.2 仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能框架

發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)涉及多個(gè)單位，將多個(gè)平臺(tái)中的不同數(shù)據(jù)作為結(jié)果有效地管理起來，并建立鏈接、追蹤關(guān)系，是非常必要的。

不同的平臺(tái)和系統(tǒng)有不同的工作分工，以便有效地管理設(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是在發(fā)動(dòng)機(jī)研究所仿真和設(shè)計(jì)過程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)和流程進(jìn)行管理，建立關(guān)聯(lián)和追蹤，完成仿真數(shù)據(jù)的追溯性，并有效整合多個(gè)仿真工具中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，有效地為發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提供正確的數(shù)據(jù)和信息。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

3 仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能組成

仿真數(shù)據(jù)種類非常多，數(shù)據(jù)體積也非常龐大。如何有效管理不同種類的仿真數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)管理的核心內(nèi)容之一。歷史數(shù)據(jù)對(duì)企業(yè)是有價(jià)值的，如何提高仿真試驗(yàn)的復(fù)用率是真正體現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的成功與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)要覆蓋研發(fā)產(chǎn)品的全生命周期的仿真過程，實(shí)現(xiàn)流暢的產(chǎn)品研發(fā)過程、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的高效協(xié)同、跨系統(tǒng)和組織的技術(shù)狀態(tài)管理、提升企業(yè)知識(shí)和資源的使用效率，實(shí)現(xiàn)由以結(jié)果管理為主向仿真流程全過程管理轉(zhuǎn)變，由以單純數(shù)據(jù)管理為主向全面知識(shí)管理轉(zhuǎn)變、由以分散研制為主向數(shù)字化協(xié)同研制轉(zhuǎn)變、由分散的信息孤島向統(tǒng)一的集成平臺(tái)轉(zhuǎn)變，從而整合研制業(yè)務(wù)、轉(zhuǎn)變創(chuàng)新流程，持續(xù)提高產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新能力。

主要功能有以下幾方面。

3.1 仿真數(shù)據(jù)與流程協(xié)同項(xiàng)目管理

①支撐仿真分析的規(guī)范、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的研發(fā)和工程體系建設(shè)。

②加強(qiáng)新產(chǎn)品開發(fā)及工程項(xiàng)目的仿真計(jì)劃、進(jìn)度的實(shí)時(shí)控制與管理。

③平衡仿真業(yè)務(wù)研發(fā)資源的配置，提高項(xiàng)目研發(fā)開發(fā)效率。

④通過對(duì)仿真項(xiàng)目敏捷管理，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和工程交付周期。

⑤平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿真分析任務(wù)自動(dòng)發(fā)布、數(shù)據(jù)平臺(tái)內(nèi)共享。

⑥建立協(xié)同化工作平臺(tái)環(huán)境，打破時(shí)間和空間的限制。

3.2 設(shè)計(jì)與仿真分析數(shù)據(jù)集成接口

①建立設(shè)計(jì)與仿真分析模型雙向數(shù)模聯(lián)動(dòng)的機(jī)制。

②提供數(shù)據(jù)檢索手段，保證仿真文件能夠被高效利用。

③實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)方案的快速性能驗(yàn)證。

3.3 仿真過程流程化體系建設(shè)

①利用仿真知識(shí)積累，建立典型仿真分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

②提供流程監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真過程的總體監(jiān)控，確保仿真工作在可控的范圍內(nèi)展開。

③平臺(tái)內(nèi)集成典型仿真分析軟件工具和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫化傳遞。

3.4 仿真知識(shí)庫建設(shè)

①構(gòu)件材料庫，保存常用分析材料屬性。

②構(gòu)筑仿真模型庫，提高分析模型在開發(fā)過程的重用性。

③分析挖掘仿真性能數(shù)據(jù)，建立仿真性能評(píng)價(jià)體系。

4 結(jié) 語

仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以使企業(yè)獲得更大生產(chǎn)力，實(shí)時(shí)或批處理網(wǎng)格自動(dòng)劃分工具，快速且高效地完成有限元網(wǎng)格的劃分?？梢圆蹲讲⒅貜?fù)使用最佳實(shí)踐，根據(jù)需要來驗(yàn)證概念，也可以使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更好的進(jìn)行溝通和協(xié)同。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 羅婷婷.基于系統(tǒng)工程的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理方法研究[J].航空制造技術(shù)，2015，（3）.