仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法研究與應用

許成偉 張小雯

一、引言

航空行業(yè)廣泛采用計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等技術?；贑AE技術的產(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)品設計流程中。如今，因為型號設計的復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)新和應對市場的強大動力。但是與此相伴而生的是任務協(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)格式和結構也很難統(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)格式的轉換，這個過程效率低且效果差，數(shù)據(jù)質量和及時性無法保證，不能滿足當前多專業(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)同設計過程的追溯、查詢以及后續(xù)的質保和優(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用和個人分析的差異，導致了分析結果的差異性，制約了對設計結果性能的正確驗證。

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，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計的數(shù)字化性能仿真協(xié)同能力。

為了實現(xiàn)這個目標，需要從如下三個方向對仿真流程和數(shù)據(jù)管理的方法研究和平臺建設進行考慮和規(guī)劃：

◎讓仿真數(shù)據(jù)更直接地服務于飛機型號研發(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)服務于新型號的設計。因為航空行業(yè)日復一日的生產(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)管理應實現(xiàn)仿真分析流程控制和管理功能，將相關數(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，同時提供基礎的權限管理模型、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如圖1所示。

整個仿真流程和數(shù)據(jù)管理平臺建設中，通過建立基礎數(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，所有的基礎數(shù)據(jù)都進行統(tǒng)一的版本和權限管理，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分析工具、流程更改以及結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致的產(chǎn)品性能驗證方法多變和結果差異性較大等情況，形成統(tǒng)一可靠的仿真結果，以此來提升型號研制的仿真能力。

在提升型號質量方面，通過對成熟專業(yè)全面引入多學科優(yōu)化分析來擴大產(chǎn)品的設計探索空間，平衡各專業(yè)之間的設計需求，獲得相對優(yōu)化的設計方案。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，這與基于產(chǎn)品設計的PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式差別很大?；诋a(chǎn)品結構的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、熱學、控制和結構力學等眾多學科，涉及到學科之間的優(yōu)化，流程復雜。另外仿真分析工具種類繁多，分析數(shù)據(jù)格式不一，仿真分析也沒有設計數(shù)據(jù)那樣清晰的結構關系。

三、仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法應用

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)務場景，驗證仿真流程和數(shù)據(jù)管理的方法。應用的場景框架圖如圖2所示。

1、任務協(xié)同管理

針對載荷集成室、外部綜合室和主控制翼面室（結構）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)務過程，進行任務協(xié)同管理應用。

（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商進行設計及強度校核，而后供應商將結果提交至各參與部門進行迭代，其典型業(yè)務流程如圖3所示。

在SPDM平臺中，通過項目創(chuàng)建-人員創(chuàng)建-任務分解及分配-子任務創(chuàng)建-任務甘特圖編制-任務分派-任務執(zhí)行-任務進度變更-任務交付物提交-任務監(jiān)控等過程，完成了載荷集成室的任務協(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)設計業(yè)務是進行副翼外形數(shù)模設計。在典型的副翼外形數(shù)模設計流程中，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)模的基礎上進行副翼外形數(shù)模設計，將副翼外形設計結果發(fā)起會簽流程，由飛控專業(yè)、布置專業(yè)、氣動專業(yè)和結構專業(yè)等共同組織會簽。典型業(yè)務流程如圖6所示。

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

（3）主控制翼面室（結構）

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

在SPDM平臺中實現(xiàn)的主控制翼面室結構專業(yè)的任務協(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構和強度專業(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力集中設計為例，需要“結構專業(yè)進行初始設計-強度專業(yè)進行分析-結構專業(yè)根據(jù)反饋意見進行模型修改-再分析-再設計”的重復性工作，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)化設計功能，可以進行設計-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，并對結果進行提取，利用數(shù)據(jù)挖掘及決策支持功能，進行結果的優(yōu)選。

根據(jù)主控制翼面室-強度專業(yè)的典型業(yè)務，結合設計與仿真的常規(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)化分析結果如圖14和圖15所示。

3、仿真數(shù)據(jù)管理

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

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，構建了關于副翼及其操縱系統(tǒng)的研發(fā)和設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。仿真知識庫的構建內容如圖18所示

四、結論

通過仿真流程和數(shù)據(jù)管理方法研究與應用，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，使得設計研發(fā)企業(yè)實現(xiàn)：

◎將仿真更好地整合到產(chǎn)品開發(fā)過程中；

◎實現(xiàn)權責分明的仿真管理，有效地跟蹤仿真過程；

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

◎以工程優(yōu)化設計目標為導向，在設計早期能較準確地評估設計方案的性能；

◎將仿真專家的個人知識轉變?yōu)槠髽I(yè)內部共享的知識。