整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真自動化平臺設(shè)計與實現(xiàn)

李華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

在汽車開發(fā)過程中，需要對進(jìn)、排氣2個系統(tǒng)進(jìn)行很多輪次的虛擬仿真，而虛擬仿真流程復(fù)雜且每步都需要進(jìn)行人工操作，會耗費大量的人力資源。常規(guī)的人工處理虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)無法很好地滿足當(dāng)前快速研發(fā)的需求和汽車工業(yè)的核心發(fā)展趨勢。國內(nèi)航空、計算機(jī)和建筑領(lǐng)域在近幾年出現(xiàn)了一些和自動化平臺相關(guān)的研究[1-5]。文獻(xiàn)[2]中初步實現(xiàn)了航空領(lǐng)域的CFD軟件的自動測試，文獻(xiàn)[5]在信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)中心進(jìn)行自動化部署?；诖?，文章設(shè)計了整車進(jìn)排氣系統(tǒng)虛擬仿真自動化分析平臺。該平臺符合汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，在保證產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量的同時節(jié)約了開發(fā)過程中所耗費的大量人力資源，提高了開發(fā)效率。

1 平臺方案設(shè)計

1.1 平臺功能

文章設(shè)計的整車進(jìn)排氣系統(tǒng)虛擬仿真自動化分析平臺（以下簡稱平臺）主要對汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)在開發(fā)過程中的虛擬仿真分析實現(xiàn)自動化，即輸入起始文件之后自動生成分析報告并自動發(fā)郵件通知用戶，用戶可隨時隨地通過網(wǎng)頁瀏覽并下載分析報告。

該平臺中進(jìn)氣系統(tǒng)主要分析速度和壓降2個方面；排氣系統(tǒng)主要分析速度、壓降和溫度3個方面。用戶在進(jìn)行虛擬分析時，結(jié)合不同的情況會有不同的起始文件需求。本平臺允許虛擬仿真分析的4種起始點分別為：面網(wǎng)格文件（*.hmascii）、體網(wǎng)格文件（*.msh）、CASE文件（*.cas）和Cas/Dat（*.cas/*.dat）文件，不同的輸入形式都可以獲得同樣的分析結(jié)果。

本平臺同時支持本地工作站計算和服務(wù)器計算2種計算方式。它會將用戶所提交的虛擬仿真分析任務(wù)存入后臺數(shù)據(jù)庫，并對所有虛擬仿真分析任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，允許用戶隨時隨地通過網(wǎng)頁查找數(shù)據(jù)、查閱報告，且對不同的項目數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，形成固定格式的對比報告。

1.2 平臺框架

本平臺基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建，平臺部署在Linux服務(wù)器上，終端用戶可通過本地PC上的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問平臺，進(jìn)行虛擬仿真分析。本平臺的框架搭建分為專業(yè)仿真模塊、基礎(chǔ)資源系統(tǒng)模塊和框架基礎(chǔ)功能模塊三部分，如圖1所示。

圖1 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真平臺基本框架

專業(yè)仿真系統(tǒng)由各仿真計算模塊構(gòu)成，即整車進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)仿真模塊，專業(yè)仿真模塊都有專業(yè)的應(yīng)用界面，引導(dǎo)用戶快速完成仿真計算過程；基礎(chǔ)資源系統(tǒng)主要是對各個專業(yè)模塊進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)的維護(hù)和保存，主要有車型平臺、仿真材料、計算工況等基礎(chǔ)庫；框架基礎(chǔ)功能模塊包括系統(tǒng)管理、任務(wù)管理和個人工作臺三部分，該模塊已經(jīng)考慮了后續(xù)專業(yè)仿真模塊的可能擴(kuò)展方向，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，柔性設(shè)計，具有較強(qiáng)的兼容性。

1.3 執(zhí)行流程

用戶通過Web網(wǎng)頁登陸進(jìn)入平臺后，選擇所需要的系統(tǒng)及相應(yīng)車型平臺參數(shù)并創(chuàng)建分析任務(wù)，選擇相應(yīng)的計算起始點，之后上傳相應(yīng)的輸入文件，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件參數(shù)和計算參數(shù)，選擇計算方式，最后提交任務(wù)。如果選擇服務(wù)器端計算方式，則直接進(jìn)行后續(xù)計算、后處理及自動生成報告，并通過郵件通知用戶計算完成；如果選擇本地工作站計算方式，則下載相關(guān)文件到用戶本地電腦自動執(zhí)行run.bat文件，后續(xù)直接自動進(jìn)行計算和生成結(jié)果。計算完成后將結(jié)果數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁再上傳到服務(wù)器，會自動生成分析報告。

整個平臺的執(zhí)行流程，如圖2所示。

圖2 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真平臺執(zhí)行流程截圖

1.4 平臺部署環(huán)境

本平臺同時考慮了服務(wù)器和客戶端2種計算情況。當(dāng)用戶創(chuàng)建完項目后，可選擇在服務(wù)器進(jìn)行計算，或者下載到用戶的個人工作站進(jìn)行計算。采用這種方式給予了用戶更多的選擇空間，同時也提高了個人工作站的資源利用效率。

服務(wù)器端部署的環(huán)境為：Linux Redhat6.5操作系統(tǒng)；Tomcat/Apache Web服務(wù)器；MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；HTML/JAVA/CSS/SHELL開發(fā)語言；LiberOffice軟件；Fluent18.0計算軟件。服務(wù)器的硬件最低配置為：64 G內(nèi)存，24個CPU核以及1 T的硬盤資源。

客戶端的操作系統(tǒng)可以為WIN7或者WIN10，瀏覽器建議為IE11.0或者Google，目前考慮的最佳分辨率范圍為1 600×900～1 920×1 200，其兼容了筆記本和工作站的分辨率范圍。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

MySQL是一種開放源碼的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)化語言訪問數(shù)據(jù)庫，具備體積小、速度快等特點?；谝陨咸攸c，本平臺采用MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，對存儲用戶信息、角色權(quán)限、計算文件和結(jié)果文件等信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，一共有57張數(shù)據(jù)表，如圖3所示。

圖3 MySQL數(shù)據(jù)庫表顯示界面

限于篇幅，文章列舉主要的數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行解釋。

1）用戶信息表：主要包含用戶賬戶、真實姓名、密碼、電話、郵箱、所屬部門、權(quán)限角色等信息，其中郵箱信息用于計算完成時通過郵箱通知用戶。

2）車型平臺信息列表：車型平臺信息主要包含平臺名稱、車型名稱、車型年份、發(fā)動機(jī)、變速箱、驅(qū)動形式、左右駕及項目節(jié)點共8個字段信息，其中平臺名稱和車型名稱之間是相關(guān)聯(lián)的。

3）任務(wù)信息表：主要包含任務(wù)ID、名稱、所屬模塊、狀態(tài)、用戶、開始時間、結(jié)束時間、結(jié)果文件及l(fā)og信息等。其中任務(wù)狀態(tài)有已創(chuàng)建、已提交、計算中和已完成4種，計算過程的信息可以點擊log文件進(jìn)行查看。

4）進(jìn)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)邊界條件表：主要有進(jìn)排氣系統(tǒng)的體網(wǎng)格和面網(wǎng)格的邊界條件設(shè)置。其中體網(wǎng)格主要包含了體網(wǎng)格類型和材料；面網(wǎng)格包含了進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件及壁面邊界條件等設(shè)置。

5）權(quán)限角色表：本平臺對每一個專業(yè)模塊和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊都進(jìn)行了權(quán)限管理。只有當(dāng)用戶被賦予某個模塊的管理員角色時，該用戶才有權(quán)進(jìn)行該模塊的后臺數(shù)據(jù)管理。

6）材料參數(shù)表：主要有固體材料參數(shù)表和流體材料參數(shù)表，分別記錄了在進(jìn)排氣分析中所需要用到的所有材料的相關(guān)參數(shù)。

本平臺通過標(biāo)準(zhǔn)的SQL語言，可以對各個數(shù)據(jù)表執(zhí)行查詢、添加、刪除的操作。

3 網(wǎng)頁界面設(shè)計

本平臺基于IE瀏覽器登錄，用戶通過登錄頁面輸入正確的用戶名、密碼和驗證碼后進(jìn)入主界面。主界面的左側(cè)為導(dǎo)航欄，右側(cè)為導(dǎo)航欄相對應(yīng)的頁面顯示區(qū)，如圖4所示。左側(cè)的導(dǎo)航欄主要有個人工作臺、仿真應(yīng)用系統(tǒng)、仿真任務(wù)管理、仿真資源管理、系統(tǒng)管理共五部分。點擊每個導(dǎo)航按鈕，可以進(jìn)入各功能模塊對應(yīng)的主界面，每個部分的頁面見3.1～3.5節(jié)。

圖4 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真?zhèn)€人工作臺頁面

3.1 個人工作臺

個人工作臺頁面，如圖4所示，主要由個人任務(wù)信息、任務(wù)統(tǒng)計信息和系統(tǒng)公告信息三部分組成。

1）個人任務(wù)信息：顯示當(dāng)前登陸用戶提交且完成的最新的5條任務(wù)，點擊查看結(jié)果可以跳轉(zhuǎn)到分析任務(wù)的結(jié)果頁面。

2）任務(wù)統(tǒng)計信息：顯示起始和終止時間段內(nèi)各個分類的任務(wù)數(shù)量，選擇起止時間和分類種類后可查看任務(wù)數(shù)量。分類種類主要有計算狀態(tài)（已創(chuàng)建、計算中、已終止和已完成）、計算方式（本地、服務(wù)器和PBS）和計算模塊（整車進(jìn)氣系統(tǒng)和整車排氣系統(tǒng)）3種。

3）系統(tǒng)公告信息：在當(dāng)前用戶的角色權(quán)限或者數(shù)據(jù)被更高級別的用戶修改后，相關(guān)的信息會在該處顯示，提示用戶相關(guān)的更改信息。

3.2 仿真應(yīng)用系統(tǒng)

仿真應(yīng)用系統(tǒng)頁面是各個專業(yè)分析模塊的入口頁面，用戶根據(jù)被賦予的權(quán)限可以進(jìn)入到相應(yīng)的模塊中。

當(dāng)用戶將鼠標(biāo)定位到各個專業(yè)模塊時，每個模塊下面的說明會自動彈出，讓用戶對該專業(yè)模塊有直觀的了解。整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真應(yīng)用系統(tǒng)頁面，如圖5所示。若用戶沒有該模塊的權(quán)限，點擊該模塊會提示沒有權(quán)限進(jìn)入。頁面過5 s后會自動返回之前的頁面。

圖5 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真應(yīng)用系統(tǒng)頁面

3.2.1 整車進(jìn)氣系統(tǒng)

點擊底盤進(jìn)氣系統(tǒng)模塊進(jìn)入到該專業(yè)仿真模塊，其完整的流程包括創(chuàng)建任務(wù)、體網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、計算求解設(shè)置、計算結(jié)果顯示5步。限于篇幅，文章只顯示計算結(jié)果顯示的頁面，如圖6所示。

圖6 整車進(jìn)氣系統(tǒng)計算結(jié)果顯示頁面

3.2.2 整車排氣系統(tǒng)

點擊底盤排氣系統(tǒng)模塊進(jìn)入到該專業(yè)仿真模塊，其完整的流程包括創(chuàng)建任務(wù)、體網(wǎng)格生成、材料模型設(shè)置、邊界條件設(shè)置、計算求解設(shè)置、計算結(jié)果顯示6步。限于篇幅，文章只顯示計算結(jié)果顯示的頁面，如圖7所示。

圖7 整車排氣系統(tǒng)計算結(jié)果顯示頁面

3.3 仿真任務(wù)管理

仿真任務(wù)管理頁面對任務(wù)的處理有如下功能：復(fù)制、刪除、停止、恢復(fù)、上傳、刷新、搜索、分頁條和任務(wù)顯示，如圖8所示。

圖8 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真任務(wù)管理頁面

復(fù)制：只復(fù)制任務(wù)數(shù)據(jù)，不復(fù)制計算結(jié)果，新復(fù)制的任務(wù)狀態(tài)為已創(chuàng)建；刪除：主要用于刪除不必要的任務(wù)，已提交和已創(chuàng)建狀態(tài)的任務(wù)不能刪除；停止：計算中的任務(wù)可以點擊停止按鈕來停止任務(wù)；恢復(fù)：對已停止的任務(wù)點擊恢復(fù)按鈕可使任務(wù)重新開始計算；上傳：當(dāng)本地計算完成后，選擇該任務(wù)并點擊上傳按鈕，可以將本地的計算結(jié)果上傳到服務(wù)器中，用于后處理和報告生成；刷新：更新所有的任務(wù)狀態(tài)；搜索：在搜索框輸入要搜索的內(nèi)容，點擊搜索對任務(wù)列表進(jìn)行過濾，可以對任務(wù)ID、任務(wù)名稱、所屬模塊、任務(wù)狀態(tài)、計算方式及創(chuàng)建人進(jìn)行搜索；分頁條：每頁顯示的條目有5，10，20，30，50 條，共 5 種選擇，且可以跳轉(zhuǎn)到任意頁面，點擊相應(yīng)的頁面數(shù)據(jù)也可以跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的頁面。

3.4 仿真資源管理

仿真資源管理是針對各個專業(yè)仿真模塊所需要的后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。目前主要有車型平臺庫、仿真材料庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，如圖9所示。每個仿真資源庫都支持在頁面上進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加、刪除和更新操作。這樣便于管理員進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

圖9 整車排氣系統(tǒng)仿真資源管理頁面

3.4.1 車型平臺庫

車型平臺信息有平臺名稱、車型名稱、車型年份、發(fā)動機(jī)名稱、變速箱、驅(qū)動形式、左右駕、項目節(jié)點共8個字段。

3.4.2 仿真材料庫

仿真材料庫是針對各個專業(yè)仿真模塊所需要用到的材料進(jìn)行管理?？梢愿鶕?jù)文件導(dǎo)入導(dǎo)出進(jìn)行材料庫的信息更新。當(dāng)前材料庫主要有流體材料和固體材料。流體材料參數(shù)主要有：材料編號、名稱、密度計算方法、密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和粘性系數(shù)；固體材料參數(shù)主要有：材料編號、材料名稱、密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

3.4.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理按照每個專業(yè)仿真模塊所涉及到零件的邊界條件進(jìn)行分類和管理，包括計算分析的體網(wǎng)格類型和面網(wǎng)格的邊界條件類型和參數(shù)。

3.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是針對整個系統(tǒng)的用戶角色和用戶信息進(jìn)行管理。本平臺對于每個使用的系統(tǒng)都進(jìn)行了權(quán)限的設(shè)置，根據(jù)用戶使用權(quán)限的不同進(jìn)行角色區(qū)分；用戶管理是對于已建立的用戶信息進(jìn)行管理，主要管理的信息為用戶賬戶、用戶密碼、確認(rèn)密碼、真實姓名、電話號碼、電子郵箱、所屬部門、用戶角色信息，并上傳用戶頭像。

4 平臺應(yīng)用

4.1 平臺結(jié)果驗證

本平臺搭建完成之后，需要對計算出來的結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度校正，以保證平臺自動化分析的結(jié)果和人工手動分析出來的結(jié)果一致。為此，文章對比了進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的分析結(jié)果，限于篇幅，僅列出少部分零件結(jié)果，如表1所示。

表1 整車排氣系統(tǒng)結(jié)果比較

在對比的分析工況中，平臺和人工計算的起始文件（面網(wǎng)格）和計算輸入都是一致的。從表1可以看出，平臺分析得出的結(jié)果和人工手動分析的結(jié)果完全一致，說明本平臺的分析結(jié)果是可靠的。

4.2 平臺收益

整車進(jìn)排氣CAE分析流程主要有幾何生成面網(wǎng)格、體網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、機(jī)器計算、后處理及報告生成6個過程，其中的計算過程由機(jī)器完成，其余均需要手動介入，其各自的過程占整個過程的時間比例，如圖10所示。本平臺已經(jīng)完成了需人工介入的5個過程的自動化，使其可全部由計算機(jī)完成，自動化后，人工所占的比例將由之前的80%降低至25%。

圖10 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)每步虛擬分析流程時間占比

5 結(jié)論

本平臺實現(xiàn)了從面網(wǎng)格到報告的全自動生成，部署在B/S架構(gòu)，方便軟件的安裝和用戶的使用，初步實現(xiàn)了虛擬仿真的移動辦公。平臺以用戶的使用需求出發(fā)，頁面設(shè)計和仿真模塊劃分清晰，用戶操作簡單便利。平臺的計算結(jié)果與人工的結(jié)果完全一致，結(jié)果可靠，從而節(jié)約了人力資源，并便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢。平臺創(chuàng)建了MySQL數(shù)據(jù)庫表、管理平臺，自動統(tǒng)計分析任務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，各仿真模塊的分析數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)經(jīng)驗的傳遞并且為將來的大數(shù)據(jù)、智能計算、多學(xué)科互聯(lián)優(yōu)化的開發(fā)打下了基礎(chǔ)。