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MSC SimXpert开启企业级多学科仿真新时代 |
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作者：MSC公司北京代表处技术部 |
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一．企业级多学科仿真的挑战与需求
同行业产品的激烈竞争、消费者对产品要求的不断提升、产品设计的日趋复杂、经济的快速发展、产品市场与世界的同步和接轨，这些因素都迫使各行各业的制造商不断改进设计手段，从而缩短产品开发周期，进一步减少产品开发成本，同时加速技术创新，提高产品质量，来应对利润的压力和各个因素的挑战。
VPD技术是MSC公司针对制造行业在产品开发、产品制造、供应链管理、协同开发、市场竞争和用户要求等的综合作用及对企业提出的迫切和苛刻的要求下，所提出的切实可行的具有革命性的技术方案。VPD技术涉及多体系统动力学、计算结构动力学、传热、疲劳、流体、控制、计算方法与软件工程等多个学科，利用计算机仿真技术建立与物理样机相对应的模型，并进行评估和测试，从而获取关于候选物理模型设计方案的特性，为设计和制造提供参数依据。虚拟样机环境可以将多个不同学科的模型集成起来，通过仿真分析来指导设计人员将设计思路转化为原型、在设计中发现问题，并通过子系统的优化、集成和仿真分析得到关于样机的性能描述，从而提高样机模型开发的效费比和缩短新产品的研制周期。
MSC公司的VPD技术已经广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、电子、铁道、一般机械、土木建筑等各种行业。利用先进的VPD技术，可在产品设计阶段，预测其动态性能，找出潜在的设计缺陷并获得最佳的设计方案。今天，越来越多的企业正在采用MSC公司的VPD技术，加速产品技术革新，缩短产品开发周期，减少对费钱、费时的物理试验的依赖，更加快速的响应市场，提高企业的市场竞争力。
VPD技术在不同的企业呈现出不同的应用成熟度（VPDMM），即应用的深度和水平。统计分析表明，VPD技术的应用成熟度越高，企业的研发效率越高，产品革新的成本越低，周期越短，而产品的竞争力则越强。在应用成熟度较高的企业，VPD技术已经渗透到产品设计的各个环节，工程师们采用不同的分析工具解决各自在研发中的问题，取得了显著的效益，用户切实感受到MSC公司的VPD技术为他们带来的丰厚回报。
然而，当前在VPD技术应用较为成熟的企业，用户在享受先进VPD技术带来的便利的同时，也不得不面临一些制约他们进一步扩大VPD技术应用效益的问题，传统单学科分析工具在企业用户新的需求下遭遇到了功能上的瓶颈：
1. VPD技术和各学科的分析工具在企业中已经得到了广泛而深入的应用。工程师们在日常工作中采用各学科的分析工具独立的完成分析项目，对于各自使用的分析工具已经足够的熟练和精通。然而由于各学科采用不同的分析工具和相应的数据模型，工程师们使用的都是单学科点的分析工具或通常意义上的多场求解工具，在分析中无法全面考虑各学科之间的耦合作用和影响，难于实现真正的一体化的多学科仿真；
2. 其次，由于从事不同学科的工程师采用各自不同的分析工具和数据模型进行独立的分析计算，在考虑学科之间耦合作用而需要进行多学科集成仿真的时候，只能通过分析工具之间的数据接口进行“链式”的“联合仿真”，即一个工程师完成一个学科点的分析之后，将数据模型或分析结果通过软件之间的数据接口传递给下一个工程师，完成耦合计算。这样的联合仿真方式，一方面学科之间的集成和耦合非常有限，另一方面由于需要进行大量的数据模型的转换，也会影响到分析的精度和效率。工程师们将过多的时间花费在数据转换等没有附加值的工作上了。
单学科分析工具的链式分析
3. 众多的单学科点分析工具也使得工程师们大为头疼。不同的分析工具都有各自不同风格的操作界面和分析环境，每一种分析工具对于从事其它学科的工程师来说都过于专业和复杂，形成了多重用户环境；例如，对于从事结构分析的熟悉了MSC Patran操作环境的工程师而言，如果要进行刚弹耦合的多学科分析，无疑需要重新花费大量的时间和精力去掌握机构动力学分析工具Adams/View。这种现状一方面限制了工程师之间的协作和交流，另一方面也制约了仿真分析的效率，阻碍了仿真分析效益的进一步提高。
5. 传统的各种单学科点分析工具在导入CAD模型时均需要经过数据格式的转化，CAE工具与CAD之间缺乏互动，转化和导入CAD模型的效率不高，同时模型的精度会有不同程度的损失。这种状况势必影响设计——分析迭代的过程，使得设计流程不畅，同时也给设计人员和分析人员之间的协作带来障碍，形成了设计与分析之间难以逾越的鸿沟。
6. 这些相互之间没有联接的单学科点仿真工具形成了分析计算的“孤岛”，导致仿真缺乏关联性和一致性，多重用户环境和不同数据格式的存在使企业无法有效的组织、管理和重用仿真数据，无法有效地追溯数据谱系 。
7. 仿真分析的结果受到不同工程师经验、水平和所采用的分析流程的制约，不同工程师即使给定相同的模型和计算条件，分析结果可能也大相径庭，影响了仿真分析结果的置信度，因此迫切的需要规范分析者的流程，加强工程师之间的交流。而传统分析工具的最大弱点在于，企业中富有经验的工程师的工程分析经验无法进行有效的积累以形成知识库，影响了知识的继承和仿真流程的重用。企业中很多分析工作的流程是具有共性的可重复的，但目前大多数企业在仿真流程上只能通过制定企业规范来加以引导，这样导致老工程师的经验无法快速的传递给新手，知识无法共享，大量的类似的分析工作需要重起炉灶。由于无法形成知识库，分析工程师的人员流动也会给企业带来较大的影响。
仿真分析结果的置信度受到手动流程的制约
8. 目前企业中的大多数仿真分析工作需要工程师手动一步一步的进行，使得工程师的工作量太大，过于疲劳，分析效率有待提高，期待能够实现分析流程的自动化。
企业仿真分析面临的以上问题，制约了仿真分析水平的提升，VPD技术在企业应用的范围和效益还存在很大的提升空间。
在传统VPD技术发展和应用之初，VPD这种全新技术手段的出现显著降低了企业的研发成本，尤其是对物理样机的花费，如上图所示。随着VPD技术在企业中的进一步发展和应用，越来越多的工程师参与到仿真计算中来，仿真分析的规模和数据量都大大增加。单点分析工具的多重用户环境和不完全的学科集成，CAD-CAE之间的转化的复杂和互动的障碍，分析流程和数据重用的困难，分析人员之间、设计与分析之间协作和交流的缺乏，都直接影响了VPD应用效益的进一步提升，使得仿真分析的成本也开始增加。
毫无疑问，VPD技术遇到了全新的需求和挑战，正酝酿着一次革命性的突破。我们可以将企业当前对VPD技术的需求归结为四个方面，即多学科集成、CAD集成、仿真流程自动化和企业协作。
在这种需求下，客户告诉我们，他们所期待的下一代企业多学科仿真分析平台应该具备以下功能：
·具有统一的用户环境，能够在同一平台下进行多学科分析，降低用户环境和界面的复杂程度；
·能够消除传统“链式”多学科仿真中的模型数据转换，即基于一个共同的数据模型来进行多学科分析；
·能够充分继承传统单点分析工具的分析模型和数据，保护客户的既有投资；
·架构开放，便于集成第三方软件，或进行用户自由扩展；
·新的分析平台能够加强与CAD软件之间的集成与互动，能够进行无缝的数据转换，提高模型导入的精度，加强CAD-CAE的集成；
·能够定制仿真分析流程，制定企业仿真分析规范；
·仿真分析流程运行方式灵活，可重复性好，实现仿真分析的自动化；
·通过仿真流程的定制和积累，能够形成企业的知识库，提高企业知识共享和重用的水平；
·新的仿真平台能够加强分析人员之间、设计与分析之间的交流和协作；使设计－分析流程更加流畅；需要新仿真平台能够方便应用设计人员的数据模型；
·仿真数据和流程能够进行有效的组织和管理，即新的仿真平台能够很好的与企业数据管理系统（如MSC SimManager）进行集成。
二．MSC公司的响应——全新企业级多学科仿真分析平台SimXpert
顺应企业多学科仿真的需求，MSC公司经过数年打造和锤炼，于2006年9月推出其全新力作SimXpert。
作为针对企业分析工程师量身定制的下一代多学科仿真平台，MSC SimXpert一经发布便因与众不同的独特功能而备受瞩目。通过SimXpert，工程师可以在完整而统一的架构和界面环境下基于一个共同的数据模型实现多学科联合仿真；它支持对多种CAD软件和模型的直接访问和双向互动；具有先进的仿真流程定制功能，进行知识的捕获、积累和重用，并实现仿真流程自动化；与MSC企业仿真管理平台SimManager完全集成，通过SimManager进行仿真流程和数据的管理，加强人员之间的协作；与MSC针对设计人员定制的嵌入CAD平台的早期分析工具SimDesigner无缝集成，完全兼容和支持SimDesigner的分析模型，使分析－设计之间的交流更加方便。
统一的多学科仿真用户环境
相对于传统单点分析工具的多重用户环境，MSC SimXpert致力于构建统一的用户环境和操作界面，使得不同学科的分析，如结构分析、机构动力学、传热、碰撞等都能够在同一个完整的分析环境下完成，这样的创新无疑大大方便了用户，省去了学习不同软件操作的时间，降低了软件使用的门槛。
SimXpert的多学科分析环境，是通过其集成的多个Workspace来实现的。分析工程师在SimXpert中完成仿真分析的全过程——即从建模、求解、结果的后处理到报告生成，这一切都在一个集成的Workspace环境中完成。通过所集成的包括高级结构分析、高级机构动力学分析、高级热分析、高级碰撞分析、高级显式非线性分析、高级气动弹性分析等在内的多个Workspace，分析工程师可以针对一个共同的分析模型，在一个统一的用户界面中方便地实现多种学科的分析，或完成热机耦合分析、刚弹耦合分析等不同类型的多学科耦合分析，而无需来回切换界面，这种高效直观的界面操作风格使得分析工程师可以在更短的时间内实现大型、复杂的真实问题的数值仿真和求解。
SimXpert各个Workspace具有一致的界面风格，并集成了MSC的高级求解器，形成了完整的协同仿真架构，仿真模型所包含的数据，如载荷/边界条件、材料、初始条件、状态信息等可以在各Workspace之间进行无缝交换，实现真正的多学科联合仿真。
目前SimXpert中集成的Workspace有：
高级结构分析——Structures Workspace，它包含完整的线性、非线性有限元建模功能，如网格划分、编辑和雕塑（Morphing），单元、材料、载荷/边界条件定义，等等。通过Structure Workspace，用户可以完成各类结构分析，包括线性、非线性、静力分析、模态分析、屈曲分析、频率响应、瞬态响应、接触分析、拓扑优化等。
高级热分析——Thermal Workspace，它提供完整的有限元热分析功能，如稳态/瞬态传热分析、热传导、自由/强迫对流分析、热辐射以及热机耦合分析，等等。
高级机构动力学分析——Motion Workspace，它提供完整的包含刚体和柔性体在内的多体动力学系统仿真功能。用户可以通过Motion Workspace建立机械系统的虚拟样机，进行静力学、准静力学、运动学和完整系统的动力学仿真，得到整个系统的性能和精确的载荷预报。
高级气弹分析——Aeroelasticity Workspace，提供完整的气动弹性分析功能。
高级碰撞分析——Crash Workspace，是SimXpert针对汽车行业设计的汽车安全性分析环境。通过强大的建模功能和集成的高级显式非线性求解器LS-DYNA，用户可以分析跌落、碰撞等瞬态非线性问题。利用其高性能环境，用户可以研究复杂的有限元模型的防撞性和安全性问题，其中可以包含假人模型的定位、安全带和气囊的展开等。
高级显式非线性分析——MD Explicit Workspace，是SimXpert更为通用的显式非线性分析环境。
高级仿真模板定制环境——Template Builder，是SimXpert定制、发布仿真分析流程的专用Workspace，用户通过简单的拖拽式操作即可快速完成仿真模板的制作，还可以向SimManager数据库发布分析模板。
高级二次开发定制环境——SimX Developer，是用户进行二次开发和定制Workspace的工作环境。
SimXpert具有开放的架构，允许用户集成第三方软件或自研软件，或通过定制功能创建用户自己的Workspace。在MSC公司计划于2007年10月发布的SimXpert R3中，还将进一步加入Mechatronics（机电控制分析）、Durability（疲劳分析）、Acoustics（振动噪声分析）、Optimization（多学科优化）等新的Workspace以更好的支持多学科分析。
SimXpert可以完全兼容和继承MSC传统产品，如Patran、Adams、Sofy等软件的数据模型，用户通过传统产品所创建的模型，可以直接在SimXpert中导入并进行处理。
基于共同数据模型完成多学科耦合分析
若需对产品在实际工作状态下的性能进行精确仿真，必须考虑不同学科的耦合作用和影响。其中包括显式/隐式的有限元结构和热传导分析、包含弹性体的多体动力学分析、多学科系统级仿真和流固耦合分析，等等。
传统单点分析工具都有各自不同的模型数据格式，只能通过软件之间的数据接口进行不完全的耦合分析。SimXpert是目前唯一的能够在一个无缝集成的分析环境和各不同Workspace之间进行数据交换和多学科联合仿真的分析平台。在SimXpert中，无论进行何种分析和调用哪个Workspace，都保存为一个共同的数据模型。仿真模型所包含的数据，如几何模型、有限元网格、载荷/边界条件、材料、初始条件、状态信息等可以在各Workspace之间进行无缝交换，通过内部集成和绑定的MSC公司的高级多学科求解器MD Nastran，实现真正的多学科联合仿真，包括热－机耦合分析、刚－弹耦合分析、机－电联合仿真等等。
由于在进行不同学科的分析时采用的是同一个数据模型，无需针对不同的分析重新转换模型。采用同一个模型进行多学科耦合分析，可以显著地缩短分析周期，提高产品的分析精度。采用同一个分析模型还可以有效的消除在数据采集、模型建立和后处理过程中的重复性工作。
SimXpert的系统建模能力使得分析工程师可以方便的向系统级模型中更换或添加新的代表不同设计方案的部件或子系统模型。例如，分析工程师可以任意的选择系统模型中的某一部件进行网格细化、粗划或是生成弹性体。这种高级建模能力使得分析工程师可以灵活地验证更多的实际工况和设计方案，极大地提高了分析效率，并确保最终的设计方案是最优的创新方案。
在统一用户环境中采用共同模型完成多学科耦合分析
CAD模型的直接访问与双向互动
SimXpert具有强大的几何模型读取和处理能力，在读取方式上与传统CAE工具有显著差别，它能够通过调用CAD软件的功能直接访问CAD模型，这种方式称之为Native Access。
用户可以从SimXpert的任何一个Workspace中通过Native Access的方式直接读取CAD模型，无需花费大量时间进行数据转换，避免了模型数据转换引起的误差，提高了在仿真过程中对CAD模型的管理能力和灵活性。尤为重要的是，通过直接调用本机上CAD软件的几何建模功能来支持普通的CAE几何建模操作，可以显著提升几何模型的创建和修改能力，增强其稳定性。
通过Native Access方式导入的CAD模型，SimXpert能够保留其所有的参数和特征。CAD模型导入后，SimXpert可以通过自身的CAD模型处理功能进行各种处理，如模型清理、曲面缝合、抽取中面等等。SimXpert的几何模型快速更新功能（SimXpert Smart Update）允许分析工程师在SimXpert中直接修改CAD模型的参数和特征，并自动更新和保存分析模型，所进行的改动能直接反映到CAD软件中，大大地提高了分析效率。例如，在修改和更新几何模型参数之后，SimXpert的网格重划分功能可以自动对包含载荷和边界条件的有限元模型重新划分其网格，而无需重新建模。
当前SimXpert能够支持直接访问和双向互动功能的CAD软件有：
除几何模型外，SimXpert能够直接导入MSC SimDesigner的分析模型。设计工程师采用SimDesigner进行初步的分析验证工作，所产生的分析模型（包括网格、材料、载荷/边界条件，等等）和分析结果都能够直接提交给SimXpert进行处理和重用，大大加强了设计工程师与分析工程师之间的协作和交流。
仿真流程捕获与自动化
仿真分析的结果受到不同工程师经验、水平和所采用的分析流程的制约，不同工程师即使给定相同的模型和计算条件，分析结果可能也大相径庭，影响了仿真分析结果的置信度；另一方面，大量的分析工作依赖于手动操作，工程师将大部分时间花在没有附加值的重复建模分析工作上，严重限制了仿真分析效率的提高。
采用SimXpert的仿真模板创建和运行功能，分析专家可以将原来需要手动执行的重复性分析工作进行自动化，从而显著地节约分析时间，提高分析效率和消除分析误差。分析工程师可以通过方便易用的仿真模板进行知识和最佳分析方法捕获，定制企业级的标准分析流程，保证整个企业CAE分析流程的一致性和连贯性。
在SimXpert的Template Builder Workspace中，基于简单的“拖拽”式操作，SimXpert的模板创建功能向用户提供了直观的图形用户界面和操作方式，用户通过对SimXpert的标准任务动作模块（Action）进行组合和连接，就可以快速建立可视化的工作流程。SimXpert的模板制作器中内置的向导功能可以指导用户完成整个模板的创建过程，用户并不需要了解程序设计和脚本语言知识。这样，在SimXpert的各Workspace中便可直接读取和调用仿真模板。在执行模板的分析流程时，用户可以自由选择适当的自动化程度（手动、全自动、半自动或自定义断点），完全控制模板的执行过程。
SimXpert的拖拽式模板创建过程
仿真模板驱动企业协同仿真
SimXpert所定制的分析模板捕获仿真数据和知识，是进行企业协作的基本元素。分析工程师在SimXpert中所创建的分析模板，既可以由其它用户在SimXpert环境中重用和运行，也可以由设计工程师在SimDesigner中调用和运行。
SimXpert与MSC公司的企业仿真管理平台SimManager可以无缝集成。在SimXpert界面可以通过SimManager的集成客户端实现登录、退出、建立SimManager分析项目，指定项目参与人员，分配人员角色、发布/获取分析模型、发布/获取/运行分析模板等功能。例如，SimXpert用户登录SimManager服务器后，可以选择运行分析模板，模板运行完成后的分析结果数据，则由可以重新发布到SimManager数据库中，方便进行共享或查看。通过这些功能，借助SimManager实现对SimXpert仿真分析流程、数据和人员的管理，加强企业团队的协作。
通过与SimManager的无缝集成，SimXpert可以将分析方法专家定制的分析流程发布到SimManager数据库中，形成面向整个企业的标准分析流程知识库，让分析工程师、设计工程师和供应商在仿真过程中获取并重复使用标准分析流程。确保参与产品开发的从企业到整个供应链的每个人都能够应用最佳的分析方法和流程，从而提高仿真分析的速度和精度。此外，还可创建标记从而跟踪模板的使用者和使用的状况，建立并追溯仿真数据的谱系。
仿真模板定制者（基于SimXpert）
创建,发布与认证
企业范围内的协作
启动项目/确定项目进度
查看分析结果数据
存储与重运行
企业知识管理者（基于SimManager）
保存最佳分析方法和模板
数据与流程管理
将优秀的模板定制为企业标准
组织、管理和优化仿真流程的重用
SimXpert、SimDesigner、SimManager和多学科求解器MD Nastran，构成了MSC公司的完整的企业级多学科协同仿真平台——SimEnterprise。SimEnterprise使仿真分析环境能够向更多的用户或部门开放，包括设计工程师、分析工程师、方法专家、管理人员和供应商，允许企业充分利用与产品设计和开发相关的知识库并使它可应用于整个企业甚至供应链。除了扩展与仿真分析相关的人员广度之外，SimEnterprise 能让不同部门共享相同数据、模型和流程以加强相互之间的交流和协同，从而改善仿真分析结果和减少工作量。
MSC SimXpert向企业分析工程师提供了完整而统一的多学科仿真环境，革新了与CAD之间的集成方式，加强了CAD与CAE之间的互动，消除了进行多学科耦合分析需要重新创建不同模型的制约，使用户可以基于共同的分析模型和求解器进行真正的多学科仿真，大大提高了分析精度和效率。SimXpert提供了进行仿真数据和信息处理的必备工具，支持对基本分析流程的改进，帮助企业捕获、积累和重用最佳仿真分析流程，实现了仿真分析的自动化，推动企业创新。通过与SimDesigner和SimManager的无缝集成和延伸的企业级方案，最大程度的实现了企业协同，使得分析师、设计师和供应商间三者之间的协作更加顺畅。SimXpert使多学科仿真和流程自动化达到了前所未有的高度——显著提升分析效率，加速仿真进程，提高分析精度。SimXpert可使企业获得最优的仿真流程和分析效率，缩短产品开发周期，支持更快更好的创新，赋予产品无与伦比的竞争优势。SimXpert契合了当前企业进一步提高VPD技术应用效益所面临的挑战和需求，代表着VPD技术新的发展方向。
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(8/30/2008) |
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