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CAE/模拟仿真 |
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基于MSC.SimManager的太阳能热气机发电系统协同仿真平台开发 |
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摘要：为了实现太阳能热气机发电系统协同仿真分析，提出了建立该系统的协同仿真平台。在对该平台进行需求分析基础上，基于MSC.SimManager 软件提出了太阳能热气机发电系统协同仿真平台的开发内容，并给出了该平台实现的方法和途径。最后，简要介绍了该平台的应用实例。
关键词: 太阳能热气机，协同仿真平台，MSC.SimManager
1 概述
太阳能热气机发电系统是一个复杂的系统，涉及到多个学科领域，往往是结构、流体、电磁、动力等等学科交织在一起。目前的CAE 市场上，没有一家CAE 软件可以解决所有的问题，很多工具都有其无法替代的价值。这就造成目前大部分的设计分析数据多平台并存，仿真效率很难提高，较多的开发时间被消耗在数据转换上。面对这些问题，设计团队迫切需要一个统一集成的CAE 驱动协同仿真平台，在保证设计精度的前提下，兼顾各性能的平衡，用更短的时间，在一个平台上开发出多种机型，并对产品的综合性能给予准确评价。另一个突显出来的问题，即仿真数据管理。仿真数据比较复杂，在产品开发过程每一阶段的工作均需要大量的知识经验、研发流程等，并使用各种工具，产生大量数据。而精确的工程问题仿真分析必须对大量的分析仿真数据进行综合评估。为此企业必须花费大量的精力来管理仿真分析数据、评估分析结果，这项工作的难度甚至超过了分析项目本身的实际技术问题。
为解决上述问题，近些年CAE 或PLM 厂商纷纷推出协同仿真平台。MSC.SimManager是MSC 公司提出的应对此种挑战的解决方案。MSC.SimManager 解除了分析师常规的工作任务、理顺了从设计获得数据并反馈到开发流程的过程、利用完全可追溯的模型和数据来组织仿真数据（模型、结果和其他）以便重复利用和知识挖掘。它通过在产品开发初期对产品性能提供新的理解帮助提高产品的质量。从技术的视角来看，MSC.SimManager 是一个基于网络的系统，可以方便地被所有流程的参与者访问并使得各部门和公司之间可以协作。这使得在开发过程中，可以以一种一致的、透明的方式查看仿真结果并进行研究，增加了仿真的效率，使设计者可以做出基于功能的设计决策。
因此，为了提高太阳能热气机发电系统性能和质量、缩短其研发周期、降低其研发成本，公司开发了基于MSC.SimManager 的太阳能热气机发电系统协同仿真平台。
2 平台基本需求
太阳能热气机发电系统协同仿真平台基本需求见图1，主要包括了协同设计平台、CAX技术集成、流程管理、数据管理和知识积累等几部分。
图1 平台基本需求
2.1 协同设计平台
通过一个基于网络的协作平台，用以在产品设计流程参与者之间共享仿真数据、信息和知识，以及将结果与PDM 更加紧密的相连，这可以使设计和评估模型保持一致，结果可以更快更直接的反馈到设计流程中。
2.2 CAX 技术集成
公司现有大量的CAX 设计和仿真工具，包括结构设计、结构分析、温度分析、流场分析、多体动力学分析和电路仿真等，具有Pro\E、MSC.NASTRAN/PATRAN /ADAMS/FATIGUE、ANSYS、FLUENT、LABVIEW 等一系列软件。这些仿真技术给企业带来多方面仿真能力的同时，也带来了协同集成需求，而CAX 技术集成可以协调产品研发数据流、模型和工具，实现复杂产品研发的多学科联合性能仿真与优化。
2.3 流程管理
随着公司产品和项目复杂度的增加，如何理顺和规范研发流程、提高流程的重用水平以及对流程过程实施全生命周期的跟踪管理，是提高企业产品研发效率、积累产品研发技术的重要措施。流程管理将产品研发数据、人员和业务紧密结合在一起，形成项目和研发活动的可跟踪、可控制和可重复的管理机制。
2.4 数据管理
精确的工程问题仿真分析必须建立在完善的数字化功能样机的基础上，利用多种CAX 软件，进行多学科领域的研究，并对大量的分析仿真数据和试验数据进行综合评估，这些综合评估将使公司或个人花费大量的精力。数据管理可实现产品研发全生命周期的数据进行保存、复杂查询、谱系跟踪以及数据报告生成。
2.5 知识积累
公司研发相关的技术、流程、经验和数据是企业的重要智力资产，这些智力资产的有效管理将对企业可持续发展提供保障。采用知识工程手段，将这些智力资产固化入计算机程序中，以后将永久保存和共享。随着这种工作的持续进行，将为企业积累异常珍贵的智力资产。
3 平台开发内容
为解决概述提到的问题，达到平台设计要求，太阳能热气机发电系统协同仿真平台内容主要包括了人员及权限管理、项目管理、仿真任务管理、通用仿真流程管理（CAX 集成）、数据管理和仿真分析模板等几部分。
3.1 人员及权限管理
根据平台涉及的部门以及使用人员的情况，将公司的人员进行角色分类，根据角色分类，创建对应的角色组见表1，赋予相应的权限，对象访问控制见图2。
表1 角色组定义表
序号 角色组 权限描述
1 系统管理员 维护整个平台，用户管理，管理所有项目，管理元数据，系统定制
2 工程师 执行仿真任务，提交模型，关键结果，提交报告
3 项目经理 提交“计算任务书”，检查项目进度
4 CAE 主管 审批“计算任务书”，创建项目和仿真任务，分配项目工作，检查项目进度
5 访问者 只能查看和下载非涉密项目相关资料，不能做其它操作
图2 对象访问控制图
3.2 项目管理
平台的项目管理，用于对产品研发过程中仿真项目进行管理，便于快速浏览（数据浏览树见图3）和查找，提高工作效率。此外，项目管理还包括项目人员以及项目仿真人员的管理。
图3 平台数据浏览树
3.3 仿真任务管理；
在平台实施过程中，参照公司内部仿真作业指导书，梳理出了符合公司管理的仿真任务管理流程，并应用于该平台中。
仿真任务管理包括：仿真任务的发起，仿真任务的审批，仿真任务的分配，仿真任务的接受/拒绝/延迟和计算报告的审查以及结果发布等功能和步骤。
3.4 通用仿真流程管理（CAX 集成）
协同仿真平台的流程管理，功能之一用于对企业研发过程中通用仿真流程进行管理（见图4），形成企业规范，提高仿真效率。在平台中目前已经集成（CAX 集成功能）：Pro/E 三维设计软件，MSC.Patran/Nastran/ADAMS/Fatigue、ANSYS.Multiphysics/Fluent、等主要CAE 仿真分析软件，此外平台还集成了其它与CAE 相关的软件，如：labview、公司自研软件以及实验数据管理软件，平台还与PDM.Windchill（Intralink）以及MDO 软件具有接口。
图4 通用仿真流程管理（CAX 集成）流程图
3.5 数据管理
针对仿真数据是一个过程数据的特点，本平台可以对仿真数据进行锁定、共享、比较、批处理、追踪和审计等工作。数据管理工具有与数据库及企业级别数据管理系统的接口，可以快速与企业已有的数据管理系统进行集成。
仿真数据管理还可以对仿真数据进行挖掘、提取和处理；可以建立仿真知识库管理，如：仿真模型库、仿真分析流程模板库、报告模板库、材料库以及CAE 相关的规范库等知识库。
此外，仿真数据管理还可以对仿真项目、数据、文件等资源实现多关键字组合查询、多层次查询和多条件模糊查询；通过查询功能，对有权限的用户提供在线浏览和下载服务；另外，CAE 主管或项目经理可以对仿真任务进度进行查询，同时可以查询整个仿真项目的人员分配以及整个CAE 室的人员分配情况。
3.6 工作空间
对于每一个用户，平台中都有自己的角色组工作空间。根据登录用户的角色组，进入自己的工作空间，拥有特定的界面。包括系统管理员界面、项目经理界面、CAE 主管界面、工程师界面和访问者界面。
3.7 运用MSC SimXpert/SimManager 等工具不断开发仿真分析模板
通过流程定制工具，定制不同的仿真分析流程模板，对企业成熟的仿真流程以及重复性高的任务实现自动化，同时仿真流程中每一步骤所产生的数据和文档可以自动保存到仿真数据管理系统中并加以管理。
通过开发仿真分析模版，工程师在执行任务分析时可不需要通过通用仿真流程那块进行产品仿真分析，直接采用仿真分析流程模板库中的对应模版进行仿真分析，如图5 所示，这样会极大地提高分析效率和质量。
图5 仿真流程模板图
4 开发实例
太阳能热气机发电系统开发综合了结构强度、疲劳分析，结构振动噪声分析，流体动力学分析和热分析等仿真分析，涉及机械工程、热能工程、动力工程、材料工程、电子工程、电气工程等学科，产品开发过程非常复杂。公司开发的基于MSC.SimManager 的太阳能热气机发电系统协同仿真平台，涉及到了人员及权限管理、项目管理、仿真任务管理、通用仿真流程管理（CAX 集成）、数据管理以及仿真分析流程模版等内容，为太阳能热气机发电系统的研发起到了很大的促进作用。
下面以太阳能热气机发电系统中太阳能热气机为例，简要介绍其在初样机研发阶段的连杆强度分析实例。通过该平台，可进行该连杆强度分析仿真任务的提出、审批，仿真任务分配，仿真过程执行以及仿真报告审批等操作，图7 为连杆仿真分析任务查看和数据谱系图，图8 为连杆仿真分析结果查看和计算报告。
图7 连杆仿真分析任务查看和数据谱系图
图8 连杆仿真分析结果查看和计算报告图
5 结论
通过建立太阳能热气机发电系统协同仿真平台，使公司研发人员可在统一平台下管理仿真项目、流程、数据、以及应用设计仿真工具和相关知识，优化了太阳能热气机发电系统开发的仿真过程，提高了公司整体研发水平，在改善产品性能和质量的同时，缩短了其开发周期。
此外，此平台也为其它型号的产品开发提供了集成设计分析环境，借助于公司太阳能热气机发电系统研发实践和知识经验，可大大提高工作效率，缩短新产品研发周期、降低其研发成本。(end)
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(9/2/2011) |
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