基于SPDM的仿真APP研究與應用

沈 波，陳 雙，任 琛，任金虎，張蕊珠

（金航數碼科技有限責任公司，北京 100028）

關鍵字：仿真數據管理；工具集成；仿真知識管理；仿真APP

1 引言

仿真數據管理（SPDM）平臺是在線協(xié)作式仿真研發(fā)平臺，可用于管理仿真數據和仿真流程，相關技術可以支撐不同學科仿真分析中的常用流程的功能封裝和復用。在傳統(tǒng)CAE領域的結構仿真分析中，采用的流程、方法、工具基本一致，例如流程通常分為前處理、求解和后處理，方法一般采用有限元法，工具一般采用Patran/Nastran、ABAQUS軟件等。CAE技術的應用極大地提高了機械結構的優(yōu)化設計能力，但是在仿真過程中逐漸暴露出操作煩瑣、知識復用不便等問題，例如重復性地設置載荷、邊界條件和重復性交互選擇提取數據等，特別是在大量模型或工況需要仿真計算的情況下，會顯著增加仿真工程師的工作量，不利于開展創(chuàng)新研究。因此需要對常用的仿真流程進行集成及管理，形成仿真APP以提高仿真分析的效率。

將服務部署在統(tǒng)一環(huán)境，通過仿真軟件集成的方式進行APP的建設和管理，在CAE領域中已開展了相關研究。GE于2013年推出了Predix平臺，開始了依托工業(yè)互聯(lián)網技術進行工業(yè)APP開發(fā)的預先研究及應用。崔羽飛等闡述了工業(yè)互聯(lián)網云邊協(xié)同過程中存在的問題，并基于數據協(xié)同和模型協(xié)同進行實踐。董長青等研究了以微服務框架和Docker框架為核心的應用云平臺架構，通過集成方式進行了工業(yè)APP的部署和使用。侯慶坤等針對汽車行業(yè)工業(yè)APP云平臺建設進行了研究和架構規(guī)劃。劉蘇杰等建立一個涉及四個學科的分布式集成設計平臺，并完成了多學科復雜系統(tǒng)的設計、仿真和優(yōu)化。其他研究者還研究及應用仿真流程集成的相關技術解決了工程問題。但大多數研究側重IT層面的架構規(guī)劃，或側重解決特定仿真問題，還需要提出一條通用性的解決仿真流程與數據管理應用的技術路線，使得設計師在仿真過程中避免面臨前述業(yè)務問題的困擾。因此，需要在現有研究的基礎上總結出常規(guī)仿真APP建設的范式。

本文探討利用仿真數據管理平臺的流程封裝技術完成結構仿真APP的開發(fā)，固化其中需要人工煩瑣操作的過程，形成結構仿真APP，通過固化、規(guī)范化結構仿真的技術知識，部署在統(tǒng)一的仿真數據管理平臺服務端供工程師使用，實現APP的便捷調用和計算資源統(tǒng)一管理，進而提高仿真分析效率。

2 APP建設基本技術流程

結構仿真APP是指基于互聯(lián)網絡，承載結構仿真知識和經驗，滿足結構仿真用戶特定需求的應用軟件，即面向工業(yè)產品全生命周期業(yè)務的需求，將工業(yè)產品及結構仿真過程中的知識、最佳實踐及技術訣竅封裝而成的應用軟件。結構仿真APP的依托平臺是仿真數據管理(SPDM)平臺，適用于多人在線協(xié)同工作，可對仿真流程進行集成和管理。如圖1所示，SPDM平臺采用C/S、B/S架構的軟件通過開發(fā)的接口進行軟件的封裝，可以驅動仿真流程的持續(xù)運行，其中的計算調度服務器可以實現仿真入口的統(tǒng)一管理，將仿真流程中的不同軟件放在不同的機器中，實現計算資源的整合。

圖1 基于SPDM的APP云部署IT架構

軟件封裝將隱性的知識、仿真的經驗流程等方法固化在軟件中或應用程序中，將成熟的仿真流程封裝為模板即為仿真APP，在進行仿真分析時對仿真APP進行實例化來實現仿真分析流程的復用，保證仿真分析流程的規(guī)范化，如圖2所示。

圖2 仿真APP創(chuàng)建及應用流程

仿真APP中的流程主要是構建各個專業(yè)及學科的分析流程，規(guī)范仿真分析的步驟，確定不同的仿真分析步驟之間的數據傳遞關系及影響關系，統(tǒng)一仿真分析的工具，共享仿真分析流程所產生的數據；在后端流程中，仿真APP的搭建基于各軟件工具的接口及windows命令行等IT基礎，依據仿真業(yè)務的需求，集成相應的軟件工具、腳本，搭建完成仿真流程，設置各軟件工具的接口文件、參數的傳遞關系，并根據各工具的API接口進行集成調用，形成的結果可以自動生成報告；在前端界面，依據用戶的需求進行界面化定制，以方便仿真運行時操作以及結果查看。將以上過程封裝為具有通用性質的模板，即可稱之為仿真APP。

通用的仿真APP的流程內容及描述如圖3所示。

圖3 仿真APP的流程內容示意圖

仿真APP以仿真流程集成為基礎，通過文件解析、數據映射、求解調用、結果后處理等方式實現數據流和文件流的傳遞，通過仿真數據管理實現仿真數據和文檔的存儲，通過仿真工具集成實現CAE分析的基本功能。

3 結構仿真APP的建設及應用

（1）結構仿真APP的建設

在某結構的隨機分析及后處理APP建設中，為了實現結構隨機分析與結果后處理，自動獲取結果文件，并進行結果曲線繪制的功能。通過規(guī)范化使用APP的搭建與封裝流程，完成APP的創(chuàng)建，在實例化的用戶界面輸入變量的類型、加速度轉換系數、節(jié)點的編號、方向和軟件版本等內容，最終獲取結果文件中的數據和曲線。

隨機分析及后處理APP的后端仿真流程分為兩個相對獨立的活動，分別是結果提取和結果后處理，結果提取活動用于生成各節(jié)點的隨機分析結果文件，結果后處理活動用于處理前一步生成的結果文件并繪制后處理結果曲線。隨機分析及后處理APP流程中的各基本組件功能詳細介紹如圖4所示。

圖4 隨機分析及后處理APP的后端仿真流程

APP中的數據和參數描述如下：

輸入參數：定義輸出變量的類型、加速度轉換系數、輸出節(jié)點的編號、變量方向和軟件版本。在曲線繪制區(qū)，輸入需要繪制曲線的節(jié)點編號、曲線的縱軸標簽以及Matlab版本。

輸入文件：頻響分析模型文件FreResp.bdf、結果文件FreResp.xdb文件和PSD功率譜密度文件。

輸出文件：各所選節(jié)點的RMS結果文件（.txt格式）、單個節(jié)點的隨機響應曲線（.png及.fig格式）。

在后端流程創(chuàng)建完成后，搭建前端的用戶使用UI頁面，定制如圖5所示的使用頁面，頁面中各輸入區(qū)分別對應了APP中暴露出的各參數。

圖5 隨機分析及后處理流程模板

用戶使用頁面的信息如下：

1）基本信息：“名稱”為顯示該次仿真的名稱，“描述”為針對此次仿真的任務描述。

2）輸入：“檢索頻響分析模型文件”、“檢索頻響分析結果文件”為在界面通過搜索獲取頻響分析模型文件（.bdf格式）、結果文件（.xdb格式）；“選擇輸出變量類型”為輸出變量的類型，“變量方向”為輸出變量的方向；“節(jié)點編號”為需要輸出結果文件的節(jié)點編號，“加速度轉換系數”為公制單位和英制單位之間的轉換選項，“Patran版本”為對應的Patran軟件安裝路徑；“PSD功率譜密度文件”為上傳PSD功率譜密度文件（.md格式）。

3）輸出：“節(jié)點結果文件RMS值”為輸出隨機分析及后處理節(jié)點的結果文件；“繪制曲線的節(jié)點編號”為需要繪制曲線的節(jié)點編號，“曲線縱軸標簽”為作曲線圖時縱軸的標簽，“Matlab版本”為Matlab軟件的安裝路徑；“曲線預覽”為隨機分析曲線的預覽圖片。

4）運行：可分段運行仿真流程，“生成節(jié)點結果文件”為觸發(fā)自動輸出隨機分析及后處理結果文件流程運行；“繪制節(jié)點曲線”為可觸發(fā)自動輸出隨機分析曲線圖片流程運行。

（2）結構仿真APP的應用

通過將APP實例化，可以形成新的仿真流程。在基本信息區(qū)，可輸入或修改顯示的APP名稱和描述。

在輸入區(qū)，通過搜索獲取頻響分析模型文件FreResp.bdf、結果文件FreResp.xdb文件，上傳PSD功率譜密度文件。定義輸出變量的類型、加速度轉換系數、節(jié)點編號、變量方向和Patran版本。

在使用仿真流程時，在個人使用端進行操作，上傳或在數據庫中檢索新的模型，在頁面上選擇不同的輸出變量類型、變量方向、節(jié)點編號和PSD功率譜密度文件，然后在運行區(qū)提交運行，協(xié)同服務器將計算指令下發(fā)給計算調度服務器，計算調度服務器選擇對應的超算或工作站進行求解作業(yè)，在求解完成后，將預先定義的關鍵結果上傳到仿真流程中進行統(tǒng)一管理。

在輸出區(qū)，獲取各個節(jié)點的RMS文件和隨機響應結果曲線，輸入不同的節(jié)點編號、曲線的縱軸標簽以及Matlab的版本，通過“繪制節(jié)點曲線”按鈕觸發(fā)后處理執(zhí)行生成新的曲線，并將關鍵結果顯示在頁面中，供使用者查看或下載。輸出的曲線和結果文件可下載到本地進行查看或再次加工處理。仿真結果的離線查看如圖6所示。

圖6 仿真結果的離線查看

以上仿真的操作步驟可以在頁面上再次修改設置，進行快速的結果重新生成，對于結果提取的效率有極大地提高。

（3）仿真數據的查看

在計算完成后，除了在用戶頁面上查看關鍵仿真結果，也可以在平臺中查看詳細的仿真數據，其中包括了輸入文件、腳本、中間文件及輸出文件等。仿真流程的數據存儲及查看如圖7所示。

圖7 仿真流程的數據存儲及查看

4 結束語

1）通過隨機分析及后處理這一結構仿真APP的建設及界面封裝，實現成熟操作流程的便捷化應用，實現了通過APP高效完成隨機響應分析及后處理的仿真過程；通過與傳統(tǒng)的線下手動處理的設置過程和求解對比，驗證了該APP具有應用方便、操作簡潔、數據準確度高的特點。

2）基于SPDM的仿真APP不僅可以在結構仿真中進行廣泛的推廣與應用，其他相關專業(yè)和學科的仿真APP技術路線都可以應用于具有類似場景的仿真業(yè)務活動中。

3）通過創(chuàng)建仿真APP，借助SPDM的流程集成功能將經驗知識、數據、工具整合和固化，不僅避免了由于人員流失造成的知識損失，更重要的是消除了人為因素導致的產品性能驗證方法多變、結果變化較大的情況，為企業(yè)形成可靠統(tǒng)一的仿真流程積累仿真經驗。企業(yè)將成熟的仿真流程固化為知識資產，同時也促進知識的學習、共享、復用和創(chuàng)新。