数字化协同仿真设计软件
1. 应用需求背景
现代中国制造业的发展主旋律是“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”。产品研制过程的信息化雷达“数字化仿真”目标，以日新月异的网络技术和计算机技术为基础，采用产品数字化虚拟研发技术，影响产品研发流程，大力推行仿真技术应用，组建产品研发和制造中的虚拟仿真环境。
现代制造业将信息化主旋律带入了仿真时代。多种仿真的需求、仿真工作融入研发流程的呼吁，保存企业智力资产的渴求，都使我们无法不加快协同仿真技术发展的步伐。
CAE 仿真技术通过开发符合研发流程的协同仿真平台，建立流畅的仿真通道，帮助用户打通从设计、仿真、试验、制造的全数字化生产线。从而，用户可以非常方便地进行数字化工程的统筹规划，并在CAE 上的所有投入物有所值，物尽其用。同时，在开发过程中，使企业的智力资产得到完美的融台。
传统的产品研制，都是以试验的方式对设计方法和产品进行验证，以确保产品的性能。往往试验需要人为控制，对于环境、仪器、人员等条件要求非常高，需要资金、人员、设备等大量投入，有些大型试验风险很难以预测，产品的研制周期长，研制成本高。CAE仿真技术的产生之后，可以通过CAE技术完成部分物理试验无法完成的产品性能分析工作。但是仿真只是作为产品检验的手段，没有真正成为产品设计的一个必要阶段，只能在产品设计的后期，甚至产品试验过程或使用阶段发现问题之后才进行分析。仿真不能对产品设计起到指导性作用，没有最大限度发挥自身价值。
我国军工行业目前正处于快速发展时期，任务重、要求高，能否短周期、高质量完成军品科研任务已经成为军工企业面临的主要挑战，这种挑战正在对军工企业的核心能力提出更高的要求。
2. 必要性
基于仿真技术在企业产品研制应用中的变革历程以及仿真在多学科多领域的应用，仿真技术必将应用到产品研发设计中的各个阶段，应用到更多的学科和领域当中。在仿真技术的不断深化应下，数字化、协同化、知识化的协同仿真时代已经到来。数字化、协同化、知识化的协同仿真平台是仿真技术发展不可逆转的趋势。
图1仿真系统典型流程示意图
多学科仿真技术是一种新的工程方法，它通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制，考虑各学科（子系统）之间的相互作用，从整个系统的角度仿真复杂的工程系统。从这种意义上来说，多学科仿真技术可以称为是一种设计方法学。
多学科仿真技术的基本指导思想是通过分解、协调等手段将复杂系统分解为与现有工程设计组织形式相一致的若干子系统，从而可以利用工业界现有的各学科仿真分析工具，在分布式计算机网络上集成各学科或子系统已有的丰富知识与经验，对复杂系统进行综合设计，以达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品竞争力的目的。总而言之，多学科仿真技术是系统科学、优化论、工程设计学、并行工程理论、分布式网络计算技术与各学科分析方法相结合的产物。
因此，协同仿真系统是飞机设计必不可少的一个重要环节。基于对我厂设计仿真现状及需求分析，企业有必要对仿真业务管理模式进行革新，加强仿真数据和流程的管理，构建特定的协同仿真业务管理平台。通过协同仿真平台的建设，实现仿真过程的协同化和标准化，管理仿真数据、流程、软件资源和任务调度工具，并能与企业其他信息化系统（如PDM等）进行集成，实现互联互通。
3. 系统的能力与功效
多学科协同仿真系统软件的能力和功效有如下几方面：
1、项目管理子系统
是对仿真流程及数据进行管理的子系统，也是用户进行交互的主界面，项目管理子系统开发，是进行仿真流程、数据管理以及系统与用户进行交互的主界面，其他各功能模块均集成在项目管理子系统中，通过主界面的菜单和工具栏等方式进行调用。项目管理系统为其他的系统提供了基础的服务和支持。
图2项目管理系统框架图
2、仿真建模子系统
用来创建结构仿真分析模型，通过标准的导入接口，将CAD模型导入仿真系统，并检查几何模型导入是否合理。能够将模型进行局部网格设置、网格剖分和网格细化，细化好的模型进行网格质量检查。可以为模型设置材料属性和单元性质属性。完成建模工作后，将建好的模型存储于模型库中。
3、载荷定义子系统
用来为分析模型添加符合工况需求的载荷信息。包括载荷在内的各种边条件，根据不同的分析情况，以不同的定义和存储方式，存储于知识库数据库中，用户需要时候可以根据不同类型进行提取和操作。
4、 仿真分析子系统
用来对分析模型进行求解，得到所需要的仿真结果。运用通用商用仿真求解器，将前面定义好的模型，施加以所赋予的边条件，按照用户定义的仿真参数，进行求解和分析。得到仿真分析结果并显示于系统中，供用户参考调用。
5、特性评估子系统
通过仿真分析结果，对仿真模型进行综合性能评估。仿真分析得到的数据结果，重新导入仿真平台的后处理器中，这些结果需要整理成曲线、图表和三维渲染模型的形式，来方便用户进行合理的分析，从而指导模型设计。后处理模块为用户提供美观的曲线、图表和三维模型。
图3仿真分析子系统调用机制
6. 数据库平台
包括：系统用户数据库、应用流程数据库、材料属性数据库、平台特性数据库、产品设计模型数据库、产品分析模型数据库、分析工况数据库、载荷数据库、分析结果数据库、测试结果数据库、结构特性指标数据库、分析评估报告数据库、仿真知识数据库等。这些数据是仿真平台系统中最有价值的部分，同时也是最难以管理的部分。同时开发数据库管理界面，对数据库中的内容进行增删改查等相应操作，以方便用户使用。
图4应用服务器层示意图
4. 软件特点
协同仿真平台软件的特点表现在以下几方面：
协同仿真平台建设主要关键技术包括海量异构仿真数据管理、仿真流程驱动引擎、仿真技术集成、与PDM 信息化系统集成等。仿真活动中，产生海量的仿真流程数据、中间数据、模型数据、仿真数据、文档数据等。协同仿真平台管理仿真过程中产生的数据，包括模型、报告、结果等各类型的异构数据。仿真数据管理技术，能够对海量异构的仿真数据进行集中、高效与统一的管理，实现数据的重用性和可追溯性，制定统一的数据标准与规范。产品的仿真过程，由一系列复杂的仿真业务活动组成，通过可视化的仿真流程管理技术快速定义或调用基于最佳实践的产品仿真流程。仿真流程管理系统提供仿真流程定义、流程执行、流程监控等功能。流程驱动引擎，驱动产品仿真流程的每个任务节点有序、合理地指派、分发、执行，通过计算机网络把每个任务节点相关的不同数据和信息，发送到具体执行人员的仿真工作环境中，并自动邮件通知工作项目执行人。任务节点包括，手动节点、自动节点、批处理节点、迭代节点、监控节点、DOE 节点、优化节点、更新分析项目节点等。
通过统一的工具集成和协同技术，可以提供一个集仿真、优化的集成化工作环境。协同仿真平台可以实现与PDM系统的双向接口。允许从PDM系统传输文件到平台，同时数据属性随文件传送，可以在平台中确认数据更新状态，并支持文件从协同仿真平台传送回PDM系统。
5. 软件使用范围和效果
协同仿真平台主要可应用于以下几方面：
协同仿真平台系统通过规范各仿真分析流程，对仿真所用的各种CAD/CAE 软件、自研程序进行有机整合，并对仿真数据进行有效管理，从而构建以任务驱动的协同仿真平台系统。基于该平台系统的建设目标，平台主要包括以下三部分成果：仿真管理协同环境、仿真执行协同环境、仿真资源支撑环境。
1、多学科仿真管理协同环境
仿真管理协同环境包括仿真数据管理及仿真流程管理两个子模块。仿真数据管理子模块提供专业的仿真数据管理服务器，保证数据集中管理，减少大量查找仿真数据的时间，快速获取数据，积累、重用仿真历史数据，保护用户知识产权。
仿真数据及知识管理系统成果主要包括以下几部分：数据基本操作、数据信息处理、第三方软件接口、数据安全及访问权限控制。仿真流程由一系列企业自身的业务流程组成。通过建设仿真流程管理模块，仿真流程可自动生成或直接建立，流程引擎驱动仿真流程的流转，并根据流程节点的完成状态进行流程监控。
仿真流程管理模块成果主要体现在以下几点：流程创建、流程执行、流程监控、与其系统集成等。
2、多学科仿真执行协同环境
通过仿真执行协同环境，为仿真人员提供一个集仿真工具、仿真模板、仿真过程一体化的仿真工作台面。通过工具集成、过程标准化及规范化、参数化及参数管理、优化设计、仿真知识管理、基层仿真资源模块的建立，形成仿真执行协同环境。产品研制的各种仿真序列工作，都可以全部在仿真执行协同环境中集中起来，形成一个综合化的产品仿真执行协同环境。仿真执行协同环境成果主要体现在以下几点：仿真工具集成、仿真过程标准化及规范化、仿真知识伴随、参数化及参数管理、优化设计等。
3、多学科仿真资源支撑环境
工具软件各种CAD/CAE 仿真工具及自研程序作为协同仿真平台的基础仿真资源为平台提供资源支撑。通过各种仿真工具及企业自研程序可建立仿真模型，进行各种仿真分析计算及结果分析处理。仿真辅助系统仿真辅助系统搭建基础资源库，包括载荷库、模型库、材料库等，起到辅助学习、辅助仿真分析、辅助创新的作用。
针对不同应用方向，协同仿真平台提供了不同的部署方式及应用模式。根据组织模式和流程成熟度划分，协同仿真平台分为单人、多人和企业三种应用模式。单人应用模式主要解决各类仿真工具、数据异构问题，实现仿真工具和数据的协同；多人应用模式主要解决各仿真科室内部仿真人员之间和资源的协同问题，提供科室内自动化的工作流程，同时实现各分析人员间仿真模型和数据的共享；企业应用模式主要解决企业内仿真部门间区域分散的问题，提供网络分布式集成封装机制，跨区域的仿真任务流程和数据管理，实现企业内仿真分析过程的规范化，进行知识的封装和积累，保护企业的知识产权。
