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PLM框架下的NX/CAD&CAE一体化流程介绍和应用实例

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摘要：随着制造业信息化的发展，在企业的产品生命周期中，加速流程化实施CAD与CAE双向相结合已成为业界的共识。它跨越了技术鸿沟将传统流程中被割裂的设计与分析两环节紧密结合，为企业带来快速高效的电子化流程解决方案，降低了生产和人力成本，同时也有效地保护与保留了企业的知识资源，最大化地实现了知识重用。文中探讨了这一流程化应用趋势的特点和发展方向，详细介绍了PLM框架下的NX平台的流程工具NX Simulation Process Studio的特点、架构优势以及给客户提供的价值。并用一个详细的流程化应用实例来阐明这一流程定制和使用的特点和优点。
关键词：CAD CAE Process studio 流程化数据管理

前言

在从中国制造转变为中国创新的今天，企业自主创新的需求日益迫切。CAE技术已经不仅仅是为研究人员提供一个分析计算工具，而是真真正正成为企业产品设计服务的必要环节。Aberdeen Group的研究数据显示在概念设计阶段，引入CAE分析对于产品的质量提升和成本降低有着诸多益处。实施这一举措会带来两个需求，一是真正实现CAD&CAE 数据平台的统一性；另一个就是提供便捷的工具让设计人员去完成复杂的CAE分析，并且能够快速地将评估结果应用到设计更新当中去。作为优秀的设计工具NX软件已是久负盛名，近年来Siemens PLM Software 公司作为全球优秀的PLM厂商也一直致力于为用户提供完整的产品全生命周期(PLM)解决方案。从NX3开始，NX/CAE 功能得到了迅速的发展，使得CAD和CAE数据可以无缝地进行双向传递，实现了真正的设计和分析流程一体化，并且结合专业的NX/NASTRAN，NX/Thermal，NX/Flow 等多种解算器完成多物理场分析。还针对流程化定制的需求还推出了NX3.0/Process Studio流程化定制工具。从而突破上述两个一直困扰企业自主创新的瓶颈。而且分析数据和设计数据一样也实现了TeamCenter环境下的管理，做到设计数据和分析结果的有序化版本管理和追踪，从此消除了CAE的信息的孤岛化，真正实现了CAD/CAE/CAM/PDM 的一体化的愿景。

一、目前流程化产品的主要特点和发展趋势

对于一个完整的设计流程而言，是从概念设计到结构校核，再到详细设计，之后进行整个产品的性能验证。在零部件的概念设计阶段，如果及早地引入CAE分析那么对于设计的成效是事半功倍的。但是对于设计人员这类非专业级的CAE用户而言，一种方案是非集成性的专业CAE 工具，那么因为要学习另外的一套软件而会造成工作的效率降低；另一种方案是交付设计模型给专业CAE人员进行分析，二者都会造成工作流程的间断和成本的浪费。所谓“工欲善其事，必先利其器”，如果采用CAD&CAE 同一环境下的流程化解决方案，就可以迎刃而解了。

设计分析流程一体化是为了实现有限元仿真分析的标准性，易用性和快速性。其首要因素就是要实现CAD与CAE一体化平台，以及数据之间实现双向相关性，使得CAE分析真正集成到设计过程中去，最直接地将分析结果反馈到设计中去，达到快速评估设计方案的目的，减少物理样机测试。这一直是用户理想化的设计流程，也是各大PLM软件供应商不懈追求的目标，割裂地看待CAD、CAE 已经是上个世纪想法了。 Aberdeen Group的2006年研究数据显示63%的制造商希望提供与CAD相结合的嵌入式仿真软件。

上述需求也带了一些使用上的实际问题，比如如何降低分析工具的使用门槛，使得设计人员对分析软件的应有也可以做到得心应手，不再对分析和结果评价束手无策。对此，需要对流程化的本质进行重新认识，流程化的定义是什么，单纯地提供CAD/CAE平台就完成了流程化了吗？什么是设计人员真正需要的流程化，以及哪一种流程化定制工具才能担负复杂方案构造者？

流程化的最终目是帮助不具备专业的仿真知识技能和经验设计以及分析人员，可以在产品设计研发的过程中运用包含已有知识的定制流程进行各种各样的必要仿真和结果评价，而提出高品质高效能的设计方案，同时保证整个工作流的快速以及稳定，使得不因人的改变而导致工作质量的降低，把知识固化在流程里，将知识和人的经验剥离并加以重用。

针对上述需求，从上个世纪90年代开始，各大CAD/CAE厂商就推出了各类流程化解决方案。从构造流程的方式来看主要有两类，一类是通过客户化的方式对被各类语言记录的工作流文件进行二次开发，之后形成新的定制化的流程，再在原有平台上单独运行该流程；另一类是通过现成的流程工具定制的流程方案，然后在相应的平台上运行该流程。

下面从以下几方面来看看目前几类流程化产品的特点：

1、流程化定制工具自身的特点

上面提到构造流程的方式主要有两种，前者需要依据平台所记录工作流的语言特点，进行专业的二次开发，这需要专业的编程技能；后者是一种比较方便的流程构造途径，下面重点谈谈后者的特点。

目前流程化定制工具多采用JAVA 语言编制，具备易用性和跨平台性的优点。多数流程化定制工具，提供标准化的步骤，比如模型导入/简化，网格划分，载荷施加，约束，求解，结果请求，浏览和报告生成等等。但是对于不同用户种类诸多的需求而言，模块化的标准步骤往往无法有针对性地解决相应的需求。因此流程化定制工具要具备足够的柔性扩充性、版本兼容性以及对知识的捕捉和重用。但同时也要兼顾设计流程的人员多数都不会使用复杂的软件编程这一特点，考虑到其易用性。

2、流程化方案的运行环境

依据运行平台特性，所构造的设计分析流程的运行环境基本分为以下几类。

2.1 单纯CAE环境下的分析流程

该类产品的特点仅仅是能快速解决产品的分析问题，无法与CAD沟通构成设计、分析循环。通常它是以某类CAE产品为平台并和其他求解器进行集成，它定制了从CAD模型导入开始到分析结束各类步骤，以及对应的一些结果评价。对于设计人员而言，使用它需要学习新的软件操作环境；或者将工作交付给专业CAE人员操作，都会造成了时间周期的延长。而且无法在同一平台关联CAD和CAE数据的版本，人为地割裂整个设计工作。该类流程适合专职CAE人员在产品的后期校验阶段完成大型化单纯性的CAE分析任务，比如分析整车NVH特性，碰撞分析等。但是是对于零部件设计，采用这类分析流程，就意味着割裂CAD与CAE，无疑会导致时间周期延长，造成人员配置的浪费。

2.2 CAE环境下的参数建模和分析流程

为了折衷CAD &CAE一体化的这种需求，有一种方案是在CAE环境下进行CAD参数化模型建模，之后进行分析循环直到找出最优的设计参数。这种非真正CAD环境下的参数化优化，常常无法进行复杂的建模，导致的这种参数化仿真常常是以牺牲设计细节为代价的，对于没有经验的分析人员，其结果的危害度是不言而喻的。而且造成了在不同平台上的CAD重复建模，导致PDM数据管理的混乱。

2.3 CAD环境下第三方嵌入式CAE插件设计和分析流程

较上述两种解决方案，这样做似乎弥补了CAD/CAE数据无法双向沟通的结症，也可以进行设计和分析的循环。但是双方的数据沟通都是通过第三方的API 来沟通的，有可能会采用转化方式对数据进行转化来进行数据沟通，其数据传递的通用性就会受到限制。因此在使用过程中很多功能也会受到一定的限制，并且在功能客户化扩展的时候也会受到两种不同平台的共同限制。

2.4 CAD&CAE一体化环境下的解决方案

较上述三类解决方案，这种一体化的解决方案在先天架构上就有着不言而喻的优势。它的无缝集成保障了数据的无损失性和双向自由沟通。

3、CAD&CAE 数据以及流程本身的PDM 管理

以往的CAE分析常常处于信息孤岛状态。原因是用于进行CAE分析的CAD数据，在进入CAE软件平台之后，失去了和原始CAD数据的关联性。那么这种简化后的CAD数据就无法和原始的CAD模型建立本质上的关联，造成数据追溯的困难，会给企业数据管理无序性和复杂性。割裂了CAE数据与原始CAD模型的本质相关性。

用户需要对依据主模型对特征进行抑制或者简化，然后产生一个与主模型关联的修改版CAD模型。这样就可以对其进行追踪记录。这样可以避免对原始主模型的肆意修改，又保持对数据的可追溯性。比如一个汽车的零部件在用做零部件分析和整车分析的时候，所需要的简化是不同的，因此需要为不同的分析类型创建不同的简化的理想化CAD版本。此外流程本身也需要有数据平台对其管理。全部数据能够被PDM管理，同时也意味着数据安全得到了保障。

因此考量一个流程化定制工具的优劣，一定要从平台通用性，扩展性，兼容性几点来考虑。尤其是以平台通用性最为重要，比如该工具生成的工作流只能在CAE平台上运行，那么想要实现复杂的参数化建模，那几乎是不可能的。因此好的平台决定了工具是否有足够的扩展性和适用范围。

二、 Siemens PLM Software/PLM平台上的一体化解决方案特点

自NX3.0 Siemens PLM Software对NX/CAE产品开发做了很大的投入，NX /CAE作为优秀的前处理和平台软件与NX/NASTRAN，ANSYS，ABAQUS 等多种外部求解器和NX/Thermal，NX/Flow内部求解器进行了无缝结合。为设计人员提供了很好的设计—分析—再设计的无缝集成环境和设计循环。而且，从NX3.0开始还提供的流程化工具Process studio。此外还可以通过客户化的方式采用KF(Knowledge Fusion)，JA 进行CAE流程化定制。

图1 NX CAE 分析流程及数据管理

上图是一个完整的设计任务的流程图(图1)，最初用户建立了一个CAD模型(也就是主模型)，之后他可以依据不同的分析类型比如静力的，动力的，热或流分析等，对该主模型进行不同版本的简化(idealized part_1，2，3)。上述过程用户既可以自己在NX环境下完成，也可以使用专家通过Process studio定制的流程执行。完成初始的分析之后，如果认为设计不满足结果评估，还可以提取模型的设计参数作为设计变量继续进行优化分析，直至取得满意的设计参数，得到合理的设计结果；然后将这个设计参数更新返回到主模型中去；最后将这些CAD，CAE数据保存到Teamcenter中的数据管理平台去。

平台的统一性，保证了CAD&CAE数据最有效的双向沟通性，几何特征的抑制和设计参数的提取都显得妙手天成，天衣无缝。试想如果在非统一平台上去完成这样的一个任务，其CAD数据的是无法无损失地快速地传递到第三方分析软件中去的，而且在分析过程中几何的特征很难被抑制，更谈不到设计参数的自动返回了。

以下我们重点介绍一下实现流程化的工具NX Simulation Process Studio的特点。

1、Process Studio简介：

NX Simulation Process Studio(简称SPS)是依托NX平台的流程化工具，目前除了支持CAE 流程的定制之外，还支持CAM 的专业流程定制。它允许专家级的CAE用户去捕捉，创造和发表仿真的流程以指导没有经验的用户重用流程，从而缩短开发的周期。最优的向导 “Wizards”能够被客户化而达到客户特定的CAE流程和设计分析的要求。向导加速了开发的速度并且提供机会给团队去实践专家的方案，它自动化地完成重复的工作或者取代专家的工作，同时也降低对使用者的专业知识要求。

图2 Process Studio分析流程定制及利用

具体来说流程化分成两个部分，一个是Authoring Tool---定制流程的工具；另一个是该流程的执行称为Process Studio Consumer。

图2的流程如上，首先定制流程的专家人员可以在Process Studio Builder- wizard中的Authoring Tool利用图形化的自动环境定制CAE流程。定制好Wizard以XML方式保存，无需编译，一般用户在NX平台上的CAE环境下就可以执行专家定制的流程，也就是Process Studio Consumer。Authoring Tool既能够被单独运行在NX环境下，或者在TeamCenter环境下被控制使用并且实现该留流程的信息追踪。

目前NX/SPS提供的Authoring Tool是基于Java的一个应用，可用于定义Wizard当中的步骤和流程。用户拥有一个类似调色板的标准步骤工具条，它们能够让用户在图形界面对步骤进行拖拽。每个流程中的步骤，都能够被预览和修改以确保它的正确性。Authors能够完全控制提示的文字和HTML帮助，还支持用户输入或者修改缺省的参数。

SPS最大化地支持线性仿真流程标准步骤，比如三维单元(3D mesh)、载荷(Loads) 、约束(Constraints)、材料(Material)、求解(Solve)、后处理(Post-processing) 和报告生成(Report generation)，支持的求解器种类有NX /Nastran， MSC/Nastran， ANSYS和 ABAQUS。

尤为重要的是，Authors能够通过NX直接地连接NX的界面和NX/Open APIs以及JA (Journaling and Automation -Journamation)，或者通过NX Knowledge Fusion定制某些步骤。Wizard的界面能够被加入UI styler后，在步骤中创建客户化的对话框。这个用户自定义的方式，可以充分扩展SPS 的现有功能，也是它柔性化、开放性的体现。

图3 Process Studio界面

2、Process Studio的显著优点

阐述一个产品的优点，先要看产品的架构。SPS 是基于NX 产品的架构上的流程化定制工具，它支持调用NX/Open，Knowledge Fusion 和JA Play，也就是说NX 所提供的大部分功能(即便是在标准模块中没有提供)用户也可以通过运行上述方式的任意一种方法来调用，比如一维/二维单元的定义在标准步中并没有提供，但是用户可以利用NX Dialog调用一维或者二维单元对话框的菜单名来进行运行，并且无需任何编程。此外用户还可以在分析流程的前端执行KF或者JA 程序进行知识驱动实施或者CAD模型创建以及几何特征的抑制、修改，突破了CAE分析流程中无法和CAD 数据互动的瓶颈，真正实现了CAD 和CAE流程的一体化。由于依托的是NX的CAD 构造功能和强大的KF功能，因此即便是非常复杂的CAD模型也能轻松被构造，打破了纯粹CAE 环境之下的简单参数化设计。而且在进行CAE分析之前，如果要进行几何清理，也可以通过调用几何模型清理菜单来执行。同时还保证了CAD与CAE模型在数据源头上的相互对应性，减少了没有必要的CAD模型重建工作。因此无论是抑制特征还是抽取中面等等操作都显得事半功倍轻松自如。

SPS能够进入任何的NX菜单以单独方式运行或者插入在Teamcenter中以模块的方式运行，这样不同权限的用户可以有针对性做不同的流程实施和管理。在NX环境下运行完之后，可以将其导入到 Teamcenter 环境中，进行流程的状态管理和实施，真正实现CAD，CAE 以及流程本身的数据的一体化管理。

3、其他的流程化工具

NX还提供了另一类流程定制方法。也就是上面所提到的第一种方法。用户可以通过更改被录制的工作流或加入自己的程序，来实现比较复杂的流程化定制和深度开发。可以利用的工具有KF和JA，目前支持的开发语言和API类型有JAVA，VB，C++等。

三、流程化应用实例

以下我们介绍一个SPS的知识驱动应用实例来描述CAD&CAE 的流程化在NX环境下是如何实施的。

该向导模拟一种自动化的方法对气缸内孔施加压力载荷并进行分析的全过程，它支持对不同类型气缸进行压力载荷计算。利用这样流程可以实现模型的简化，载荷的自动计算，加载，约束，网格划分和结果输出全过程。研究对象是发动机中一个缸体，采用对称约束条件，并对其中面进行约束以模拟实际边界条件。这样用户可以灵活地对不同类型的发动的缸体分析进行。施加的载荷是通过KF的KDA 程序计算得到的，用户可以利用界面选择发动机气缸的个数、冲程以及额定的发动机功率，并且通过提取气缸的内壁直径和上述参数到内置的一个Spreadsheet表去寻找适当载荷，然后将其采用表达式的方式与压力载荷相关联作为载荷输入。它把复杂的分析过程和专家知识，集成在一个流程化向导中，帮助无相关经验的人员完成复杂的载荷计算过程和分析。

图6在SPS中的流程定义

图7在NX Process Studio解析的载荷求解步

首先在NX/SPS中，专家用户(Author)通过一个个Step完成了从几何简化清理，载荷施加，材料定义，网格划分，求解，到结果输出各个步骤定义。值得一提的是，在步骤定义的时候，既可以使用SPS提供的标准步骤（参见图6），比如材料定义等等，也可以采用用户自定义方式任意加入一些步骤，比如在做几何清理的步骤中，专家用户可以采用调用NX_Dialog 的方式调用UG_SFEM_INSERT_IDEALIZE对理想化模型(Idealized Part)进行导角，孔等细节的特征抑制，产生新的理性化的模型，而对主模型不做任何更改。在流程中还定义了一个逻辑条件：一种是沿用以前的载荷规则，另一种是采用KF的KDA 程序重新计算气缸载荷。图7是气缸载荷的参数输入菜单，该菜单是采用UI Styler编制。可以看出SPS为Author提供多种方式帮助专家完成各种复杂的任务定制。完成这些步骤地设定之后，用户可以采用SPS提供的检查工具去验证其流程的正确性，然后将其保存成无需任何编译的XML文件。

定制完的流程后，XML就可以在Consumer tool下被NX平台解析成一个个标准的流程步。专家用户的知识就被固化在该流程中了，一般的用户只需要快速运行这个流程，无需考虑该在何种部位进行哪一类的几何清理，如何计算气缸载荷，如何施加约束等等分析细节了。在完成计算分析之后，如果发现该结构的某些分析结果不满足设计的需求，例如某些区域的应力值高于设计标准，就利用NX/Advanced Simulation 中的优化分析对该结构进行优化设计，用户无需修改边界载荷条件，只需要选择适当的几何变量作为设计变量，再设定相应的优化约束，目标等等即可完成优化分析。待优化分析完成之后，用户可以得到一组优化后设计参数即新的几何尺寸。如果在考核其他因素的情况下，用户对这组新参数构成的模型进行了认可，那么就可以将其对主模型进行更新，达到了CAD/CAE数据的真正有效地双向沟通。

总结

在企业作为自主创新者主体的大环境下，CAE既不再是研究人员专利，也不是企业作秀的道具，而是为更多人使用的有效工具。它不再是曲高合寡，而是与设计环节紧密结合的必要环节。

从上述分析可以看出，衡量一个流程的优劣要从以下三个方面来看

1. 能够在CAD&CAE双重环境下运行的流程化平台才是最佳化的流程实施工具，它的平台特性保证了在实施过程中能够从设计的起点走完分析的过程，又从分析的结果，提取有效的修改设计参数返回到设计的环境。

2. 流程定制工具本身的要具有灵活性，扩充性和知识的包容性。

3. 通过流程操作完成的各类数据—— CAD与CAE数据以及流程本身。能够被目前的PDM平台进行管理追踪，以保证各类数据的安全，以及版本关联和追踪。

PLM环境下的NX平台提供的Process Studio流程化定制工具满足里上述三个特点，它保证能有更多的设计人员能够有效地参与到分析设计的实施中去，克服了传统有限元建模过程的无序性和随意性，以智能流程化方式实现了知识的快速重用。这归咎于Siemens PLM Software对产品提供全生命周期产品定位。Siemens PLM Software目前提供了从上游CAD数据，专业级的CAE分析，以及下游数据管理的一体化方案，保障了知识化的流程有效实施，以及各类数据的无损失传递，帮助客户在激烈的市场竞争中快速反应立于不败之地!

参考文献
1 NX Simulation Process Studio帮助文件，Siemens PLM Software
2 NX Simulation Process Studio培训材料，Gilles Dubourg & Pete Ogilvie， Siemens PLM Software(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/16/2008)


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