0 引言

    中國*汽車股份有限公司（簡稱一汽）技術中心承擔一汽集團商用車產(chǎn)品、乘用車產(chǎn)品及發(fā)動機、變速箱、車身和汽車電子等重要總成的自主研發(fā)任務，在早將CAE技術用于汽車產(chǎn)品自主研發(fā)，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，CAE技術已經(jīng)在一汽技術中心的產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應用，發(fā)揮重要作用，形成基礎部、車身部和發(fā)動機部等多支數(shù)百人、實踐經(jīng)驗豐富的CAE仿真分析團隊，涉及的領域涵蓋商用車和乘用車的發(fā)動機、底盤、車身和整車等，囊括整車多體動力學分析（平順性和操縱穩(wěn)定性仿真、懸架性能、中低頻振動、動力性和經(jīng)濟性等）、車身安全和結構分析（碰撞和安全性、車身模態(tài)、強度和剛度分析等）、整車及發(fā)動機CFD分析（發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、機艙流動分析、氣缸內(nèi)流動燃燒分析、整車空氣動力學分析、空調(diào)系統(tǒng)分析和氣動噪聲分析等）和結構分析（缸體、缸蓋有限元分析，發(fā)動機懸置托架拓撲優(yōu)化和疲勞耐久性分析等）以及涉及單學科和多學科的優(yōu)化分析等。

    經(jīng)過多年投入，相關的軟、硬件設施得到完善，與產(chǎn)品設計體系、試驗驗證體系一道，成為產(chǎn)品開發(fā)的重要支撐。CAE的重要性、有效性得到廣泛認同，形成較為完整并經(jīng)實踐驗證可行的一套分析流程和規(guī)范。隨著產(chǎn)品性能要求的不斷提升和新技術、新方法的應用，技術中心CAE專家和部門也在不斷對其進行更新和修訂，保證CAE技術對設計的指導作用。在*的分析實踐中，積累了大量的CAE分析模型、數(shù)據(jù)、結果、報告及與相關的試驗數(shù)據(jù)。

    技術中心十分強調(diào)CAE工程師與設計師、試驗工程師的協(xié)作，CAE工程師隸屬于各個專業(yè)科室，除結構分析外，沒有專門的計算分析科室，這種組織結構有利于CAE工程師與設計師的交流，有利于對問題的準確理解和定義，也有利于向設計師準確地解釋分析結果。

    隨著業(yè)務規(guī)模的發(fā)展，技術中心CAE應用也體現(xiàn)出不足，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

    （1）知識和數(shù)據(jù)管理，大量的仿真分析數(shù)據(jù)存儲于個人計算機上，沒有統(tǒng)一存儲和按項目及數(shù)據(jù)屬性分類歸檔，難以檢索，難以共享和重復利用；仿真分析數(shù)據(jù)目前的存儲和管理方式造成部門之間信息共享困難，部門之間信息和數(shù)據(jù)溝通效率低；雖積累了大量的各學科分析流程經(jīng)驗，但沒有系統(tǒng)地總結和梳理，缺乏標準化、規(guī)范化和文檔化，難以有效推廣利用，仿真分析結果的*性難以保證；向新員工傳授已有仿真分析經(jīng)驗的過程較慢，不利于新員工的快速成長。

    （2）項目支撐。對于大的車型或總成研發(fā)項目，多個部門人員參與并產(chǎn)生眾多分析任務，缺乏對分析任務進展和結果進行監(jiān)控的方便方式；缺少支持項目充分利用CAE工具的環(huán)境和平臺。

    （3）效率和資源。重復工作占用大量人力資源，骨干人員深陷常規(guī)分析任務，影響其在新方法、新技術研究方面投入精力，不利于專業(yè)長遠發(fā)展；CAE相關軟、硬件資源的應用效率得不到統(tǒng)計評估。

    基于上述情況，有必要建立支撐仿真數(shù)據(jù)及知識管理的IT系統(tǒng)。

1 需求分析與系統(tǒng)設計

    1.1 總體目標

    若想改變技術中心CAE工作的現(xiàn)狀，需建立企業(yè)級的CAE數(shù)據(jù)及知識管理平臺。從技術中心的研發(fā)特點和現(xiàn)狀出發(fā)，充分體現(xiàn)和溶人技術中心在*的CAE實踐中取得的成果、經(jīng)驗和規(guī)范，形成一個基于成熟CAE系統(tǒng)架構的企業(yè)級協(xié)同仿真平臺，該平臺將仿真知識（數(shù)據(jù)）管理、仿真流程管理及權限和分析任務管理等功能融于一體，建立并不斷積累技術中心仿真分析知識庫，實現(xiàn)CAE項目質(zhì)量監(jiān)控，促進技術中心的CAE應用，從而支持企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新工作，同時，借鑒國外同行的CAE分析發(fā)展成熟的實踐經(jīng)驗，快速提高和完善CAE能力以協(xié)助自主研發(fā)能力的提高。

    系統(tǒng)目標：

    （1）CAE數(shù)據(jù)及知識的管理、積累和重用。

    （2）項目質(zhì)量保障，規(guī)范CAE活動、有效支持產(chǎn)品開發(fā)項目、實現(xiàn)CAE分析的工程價值。

    1.2 系統(tǒng)設計思路

    技術中心CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)基于SimManager R3.1產(chǎn)品框架實現(xiàn)，該產(chǎn)品框架包括仿真數(shù)據(jù)和流程管理的基本功能。CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)的功能在該產(chǎn)品框架基礎上通過配置和開發(fā)實現(xiàn)。這種方式有助于縮短開發(fā)時間、降低項目風險，并保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和擴展性。

    在系統(tǒng)體系架構設計方面，構建中心級仿真數(shù)據(jù)及知識管理平臺框架+各科室專業(yè)仿真流程的設計方式。中心級的仿真數(shù)據(jù)及知識管理平臺框架涵蓋系統(tǒng)及各專業(yè)通用的功能，如公共數(shù)據(jù)維護、外部系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)版本控制及變更、報告自動生成、知識重用和仿真業(yè)務流程等，該框架在比較長的時期內(nèi)保持穩(wěn)定。各個專業(yè)的分析流程隨著CAE技術和手段的不斷完善逐步擴展和豐富。成熟和規(guī)范的專業(yè)流程可以通過自動化的方式在系統(tǒng)中使用，提高工作效率；相對不成熟的分析流程可以通過數(shù)據(jù)的版本控制功能按照存儲數(shù)據(jù)規(guī)范將仿真數(shù)據(jù)保存到平臺數(shù)據(jù)庫，不影響數(shù)據(jù)和知識的積累。中心框架和專業(yè)學科見圖1。

圖1 中心框架和專業(yè)學科
 

1.3 總體方案

    CAE數(shù)據(jù)及知識管理平臺功能的總體方案架構見圖2。

圖2 CAE數(shù)據(jù)和知識管理平臺功能架構

    整體功能架構包括中心級CAE管理模塊、各專業(yè)學科功能模塊和外部系統(tǒng)集成接口模塊3個部分。

    中心級CAE管理模塊包括在SimManager產(chǎn)品基礎上建立CAE數(shù)據(jù)及知識管理模塊、項目質(zhì)量監(jiān)控模塊和業(yè)務流程管理模塊等。SimManager產(chǎn)品包括基礎數(shù)據(jù)管理模塊、基礎流程管理模塊、基礎權限管理模塊、集成客戶端模塊和數(shù)據(jù)庫接口模塊等，在基礎功能模塊的基礎上通過開發(fā)和配置建立中心級CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)的架構，該架構保持穩(wěn)定性，滿足技術中心目前及未來發(fā)展的需要。

    各專業(yè)學科，包括安全學科、多體動力學學科、CFD學科、NVH學科、結構與耐久性學科和工藝仿真學科等都需要使用CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)，并且將來可以向其他學科擴展。其中安全學科、多體動力學學科和CFD學科等有超出中心級模塊的需求，需要針對本學科進行功能開發(fā)，其他學科的需求由中心級的模塊功能涵蓋。

    外部系統(tǒng)集成接口模塊提供外部系統(tǒng)集成接口，包括從信息網(wǎng)提取人員信息（通過中間格式文件），并預留高性能計算系統(tǒng)接口。

    CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)支持各種角色從客戶端（B/S架構客戶端）以自己的權限在系統(tǒng)中進行工作，系統(tǒng)支持技術中心用戶異地訪問和使用。

    1.4 CAE知識管理和重用

    CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)實現(xiàn)CAE知識的管理和重用，CAE知識表現(xiàn)在：（1）評價參數(shù)；（2）分析報告；（3）分析過程數(shù)據(jù)，設計模型，網(wǎng)格模型，設計輸入條件，分析模型，求解文件，原始結果和關鍵結果等；（4）分析規(guī)范，包括分析流程規(guī)范、分析相關材料數(shù)據(jù)、標準模型和二次開發(fā)工具等。

    這些CAE知識通過CAE任務模板、自動化流程和分類保存的CAE數(shù)據(jù)模型等方式實現(xiàn)管理并重用。

    1.5 數(shù)據(jù)庫設計

    數(shù)據(jù)庫設計決定系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的規(guī)范，是整個系統(tǒng)運行的基礎。CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計在SimManager產(chǎn)品已經(jīng)構建的數(shù)據(jù)庫設計基礎之上，通過配置和開發(fā)以滿足CAE集成平臺的業(yè)務需要。

    面向CAE分析業(yè)務的相關數(shù)據(jù)類型，涉及前處理、求解、后處理和其他分析業(yè)務等。在此基礎上，CAE集成平臺根據(jù)平臺業(yè)務需要增加平臺自有的數(shù)據(jù)類型，其關系見圖3，圖中箭頭表示“繼承自”的關系。

圖3 CAE數(shù)據(jù)和知識管理平臺數(shù)據(jù)類型定義

    1.6 流程和權限管理

    基于SimManager的CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)的流程管理步驟：（1）詳細分析和梳理用戶流程及調(diào)研結果；（2）定義、規(guī)劃數(shù)據(jù)模型，定義流程中的數(shù)據(jù)模型；（3）定義、規(guī)劃流程動作，定義流程動作的輸入、輸出；（4）配置數(shù)據(jù)模型；（5）流程動作相關配置或開發(fā)；（6）如果有隊列系統(tǒng)，考慮隊列系統(tǒng)的集成。

    CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)中的用戶權限管理是通過基礎運行框架SimManager的權限訪問系統(tǒng)中角色（Role）、域/項目（Domain/Project）和數(shù)據(jù)發(fā)布級別（Release Level）等來綜合實現(xiàn)的，具體為：（1）對數(shù)據(jù)的權限，包括對數(shù)據(jù)的讀、寫、刪除、流程執(zhí)行、數(shù)據(jù)等級提升、數(shù)據(jù)等級降低、流程的終止和更改數(shù)據(jù)所有者等；（2）流程權限，系統(tǒng)根據(jù)角色的不同，對流程功能進行分配，包括普通用戶流程、審計管理流程、系統(tǒng)管理功能和安全管理功能等。在CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)中，通過角色和數(shù)據(jù)發(fā)布級別等方式，實現(xiàn)對用戶的權限控制。例如，項目中包括哪些人員，哪些人員為管理者、哪些為分析項目負責人，一旦具有相應的角色和權限，即可以訪問相應的數(shù)據(jù)，進行相應的操作。
 

2 系統(tǒng)實施

    2.1 系統(tǒng)架構定義

    CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)的部署結構見圖4。包括：（1）客戶端/本地機，用戶主要通過瀏覽器訪問CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺；（2）SimManager網(wǎng)絡應用服務器為一臺獨立的服務器；（3）數(shù)據(jù)庫采用用戶目前使用的Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；（4）文件存儲服務器直接mount到SimManager服務器端；（5）SimManager和應用軟件的License通過Flexm等方式安裝在License服務器上。專業(yè)科室的專業(yè)工具軟件的License平臺不做通用管理，但是需要保證在需要軟件許可時能夠訪問對應的License服務器。

圖4 部署結構

    http方式訪問SimManager網(wǎng)絡應用服務器，在本地機上應安裝有JRE環(huán)境；（2）SimManager平臺以JDBC方式訪問數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫的訪問為開箱即用功能，只需在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫實例即可，部署完成即可使用。

    2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型構建

    充分利用SimManager產(chǎn)品自帶的數(shù)據(jù)模型，結合技術中心的實際仿真業(yè)務需要，對數(shù)據(jù)模型進行構建。基于簡潔實用的原則，構建以下數(shù)據(jù)模型：

    （1）CAE任務模板。一個CAE任務模板代表一個標準的分析類型，在CAE任務模板上附屬相關分類屬性、仿真數(shù)據(jù)歸檔規(guī)范、評價參數(shù)、應用工具和報告模板等文檔。CAE任務模板作為仿真分析工作實施、仿真數(shù)據(jù)入庫保存和創(chuàng)建CAE任務的依據(jù)。各專業(yè)必須對CAE相關的分析類型進行梳理和歸納，建立標準的CAE任務模板。

    （2）項目，與技術中心項目管理系統(tǒng)的項目相*，對應實際的研發(fā)項目。可以在系統(tǒng)中創(chuàng)建或者從項目管理系統(tǒng)中導入。

    （3）任務。CAE任務作為在項目中實例化的CAE任務模板，可以作為分配給CAE工程師的zui小的工作單元。

    （4）方案。即附屬于一個任務的分析方案，在一個任務下，設計師可以提交多個輪次多個設計方案作為輸入供CAE工程師進行分析，CAE工程師也可以自己創(chuàng)建方案并進行分析。一個方案包括一系列的分析數(shù)據(jù)，如評價參數(shù)、設計模型、網(wǎng)格模型、設計輸入條件、分析模型、原始結果、關鍵結果和分析報告等，這些分析數(shù)據(jù)依據(jù)相應的CAE任務模板的規(guī)范保存。

    在CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)中，充分考慮仿真數(shù)據(jù)分類和查看，用戶可以從項目、學科和產(chǎn)品節(jié)點等視角查看相關仿真數(shù)據(jù)。

    2.3 CAE知識管理和項目質(zhì)量保障

    在CAE知識管理和項目質(zhì)量保障方面，系統(tǒng)借助以下技術措施和應用來實現(xiàn)需求：（1）CAE仿真數(shù)據(jù)的分類；（2）項目、學科和產(chǎn)品視角的數(shù)據(jù)查看；（3）對標歷史數(shù)據(jù)，用于對比當前方案與同類歷史方案的同類參數(shù)，協(xié)助分析任務判斷當前方案的優(yōu)劣，同時幫助分析隨著年代的推移，各個參數(shù)的變化趨勢；（4）評價參數(shù)跟蹤，用于在一個任務進行過程中，方案的評價參數(shù)隨著迭代逐步變化的情況；（5）評價參數(shù)分類滿足情況統(tǒng)計，將所有模板的設計相關的評價參數(shù)按照標準分類，評估在一個項目、任務或某產(chǎn)品節(jié)點的相關設計和相關評價參數(shù)對各個分類的滿足情況。

    2.4 與其他系統(tǒng)集成

    與CAE數(shù)據(jù)及知識管理平臺相關聯(lián)的系統(tǒng)包括中心信息網(wǎng)、各專業(yè)室求解服務器隊列系統(tǒng)和項目管理系統(tǒng)等。

    CAE數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)的人員信息來自于技術中心OA網(wǎng)，CAE管理系統(tǒng)集成隊列系統(tǒng)MSC.Analysis Manager/PBS，實現(xiàn)求解任務的遠程提交和監(jiān)控，系統(tǒng)的項目信息和項目管理系統(tǒng)保持*，可以導人也可以在系統(tǒng)中直接創(chuàng)建。

3 仿真分析自動化

    在系統(tǒng)中集成仿真軟件，尤其是CFD模塊和安全模塊，相關流程緊密結合在系統(tǒng)中，實現(xiàn)仿真過程的自動化，提高效率。

    SimManager提供服務器端（SSAE）和客戶端（CSAE）兩種運行方式封裝應用軟件，服務器端運行方式應用軟件安裝在服務器端，用戶無交互運行；客戶端運行方式應用軟件安裝在客戶端，用戶通過瀏覽器登陸到SimManager服務器，執(zhí)行相應的流程，SimManager調(diào)用相應的應用程序，用戶以交互式或自動方式來執(zhí)行應用程序。

    SimManager將工具軟件封裝在流程中，有兩種運行方式：（1）交互式，SimManager將應用軟件啟動，用戶在軟件中操作完成相應的任務工作；（2）自動式，SimManager將應用軟件啟動，根據(jù)提供的腳本模板自動完成相應的工作。

    3.1 氣道CFD分析自動化

    為方便在氣道設計過程中及時根據(jù)氣道穩(wěn)態(tài)CFD模擬分析結果指導氣道3D模型的設計，同時對氣道模擬分析過程規(guī)范化，開發(fā)嵌入到CAE平臺中的氣道自動分析流程模塊，自動分析過程見圖5。

圖5 氣道自動化分析平臺流程

    氣道的CFD分析模塊是由CAD設計師主導，無需CFD工程師參與的緊耦合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)氣道方案的CFD分析自動化，用戶提交CAD模型以及標準化的輸入條件并運算，可以獲取類似log文件的xml文件，原始分析結果文件包含評價參數(shù)的結果信息文件和標準化報告等。

    氣道自動化CFD分析模塊實現(xiàn)從建模到結果處理的氣道穩(wěn)態(tài)流動CFD分析全過程自動化，是面向設計師CFD的分析模塊，可以使氣道設計師及時了解氣道內(nèi)的流場信息，指導結構的改進，實現(xiàn)氣道的CFD分析時間減少，縮短整個氣道的設計開發(fā)周期。

    針對氣道開發(fā)過程中的CFD分析需求，該平臺可以進行7種情況的穩(wěn)態(tài)氣道流場分析：（1）柴油機進氣道分析；（2）汽油機進氣道渦流分析；（3）汽油機進氣道滾流分析；（4）排氣道分析；（5）柴油機進氣道加支管分析；（6）汽油機進氣道加支管渦流分析；（7）汽油機進氣道加支管滾流分析。

    3.2 被動安全分析自動化

    安全模塊開發(fā)主要以SimManager和SimXpert為工具，搭建基于web的安全仿真分析流程和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效避免重復勞動帶來的人工成本和人為的低級錯誤，規(guī)范專業(yè)組的工作方法，固化過程及結果數(shù)據(jù)，提高專業(yè)的通過能力及工作質(zhì)量。

    功能模塊有：（1）安全仿真規(guī)范管理模塊；（2）車身自動點焊裝配模塊；（3）求解、結果后處理和報告過程自動化模塊；（4）試驗數(shù)據(jù)歸檔模塊；（5）曲線對比模塊。根據(jù)功能需求及開發(fā)方案設計的系統(tǒng)架構見圖6。

圖6 安全系統(tǒng)架構

    仿真規(guī)范管理是對安全仿真分析所涉及的相關技術準備文件、過程文件、接過文件和仿真方法等相關的規(guī)范文件進行明確定義及編寫，并在系統(tǒng)開發(fā)過程中進行固化，指導實際的仿真分析工作，主要包括：（1）材料名稱命名規(guī)范；（2）截面特性名稱命名規(guī)范；（3）焊點文件編寫規(guī)范；（4）車身總成命名規(guī)范；（5）所有相關文件的命名規(guī)范；（6）各分析模版的計算分析規(guī)范；（7）關鍵結果提取規(guī)范；（8）自動化報告生成規(guī)范。

4 結束語

    仿真數(shù)據(jù)及知識管理系統(tǒng)構建中心級仿真管理框架，可滿足不同級別的不同需求，系統(tǒng)已經(jīng)上線運行，主要包括：（1）以CAE任務模板為核心的數(shù)據(jù)和知識管理體系；（2）仿真分析規(guī)范的管理體系；（3）以CAE任務為單元的仿真任務管理體系；（4）以方案為基本單元的仿真數(shù)據(jù)管理體系；（5）設計師和CAE工程師在平臺上的協(xié)作工作；（6）分析結果與歷史數(shù)據(jù)對標、評價參數(shù)跟蹤；（7） CAE任務進展情況統(tǒng)計報告；（8）部分自動化CAE分析任務在平臺上的驅動。