1 引言

    隨著現(xiàn)代信息化技術的高速發(fā)展，計算機仿真技術已經(jīng)成為制造業(yè)加速產(chǎn)品研制生產(chǎn)，縮短研發(fā)周期，降低制造成本的主要手段之一。機械協(xié)同仿真是隨著仿真技術及計算機并行技術的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型機械產(chǎn)品仿真模式，其主要特點是在計算機支持下，由承擔不同學科仿真活動的多個成員圍繞同一機械產(chǎn)品，并行交互進行仿真，最終得到產(chǎn)品多方面性能的仿真結(jié)果。

2 仿真數(shù)據(jù)管理

    機械協(xié)同仿真涉及多學科領域的共同協(xié)作，分析過程復雜繁瑣，分析類型多種多樣，決定了在協(xié)同仿真過程中會產(chǎn)生大量的、形式各異的數(shù)據(jù)。與一般的數(shù)據(jù)相比，仿真數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù)種類繁雜、數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)邏輯復雜、知識重用性差等方面的特點。在產(chǎn)品生命周期管理中，企業(yè)和研究所主要采用PDM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理。PDM系統(tǒng)的核心是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形式來維護產(chǎn)品本身構(gòu)成關系，并圍繞產(chǎn)品本身構(gòu)成關系組織管理一切與產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理主要提供以下三方面功能：(1)維護產(chǎn)品裝配關系；(2)將組成產(chǎn)品的所有零部件以及描述零部件的信息（如模型、說明書、工藝文件等）聯(lián)系起來，形成完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，直觀地表述產(chǎn)品所有信息；(3)控制產(chǎn)品信息的版本及相互關系。某船舶行星齒輪減速器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。行星齒輪減速器主要由差動級、封閉級、輸入軸、輸出軸、軸承、兩級間連接件、箱體等組成，差動級和封閉級中同時包含太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、行星架、行星架支架等。行星齒輪減速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹反映了行星齒輪減速器中部件-部件-零件的裝配關系，同時每個樹節(jié)點包含了該零部件的數(shù)據(jù)及版本信息，如圖1所示。由于仿真數(shù)據(jù)邏輯復雜性以及仿真分析的高度迭代性，直接應用PDM系統(tǒng)進行協(xié)同仿真數(shù)據(jù)存在存儲結(jié)構(gòu)復雜及大文件檢入/檢出等問題。國內(nèi)外業(yè)界對此展開了相關的研究，一些大型企業(yè)、研究所、高校都初步構(gòu)建了仿真數(shù)據(jù)管理的解決方案，如MSC公司的仿真數(shù)據(jù)管理解決方案SimManager，某公司研發(fā)的Altair Data Manager(ADM)解決方案，北京某大學一些科研人員研究了協(xié)同仿真運行管理平臺，清華大學熊光楞等研究了基于Web技術的協(xié)同數(shù)據(jù)管理。但由于產(chǎn)品仿真分析需求的多樣性、仿真工具的學科性以及協(xié)同仿真平臺或環(huán)境的側(cè)重點不同等因素，對于機械產(chǎn)品仿真數(shù)據(jù)的管理技術及管理方案的研究，各大商業(yè)軟件生產(chǎn)商及研究機構(gòu)之間也沒有形成共識。

    圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

    結(jié)合某船舶行星齒輪減速器仿真過程，并基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的特點，提出協(xié)同仿真數(shù)據(jù)管理的技術解決途徑—性能仿真模型（PSM，Performance Simulation Model），分析了協(xié)同仿真數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次關系以及數(shù)據(jù)邏輯流轉(zhuǎn)關系，實現(xiàn)了仿真分析-對象。數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，描述了仿真結(jié)果之間的復雜邏輯關系，解決了仿真數(shù)據(jù)與PDM結(jié)合的問題。

3 性能仿真模型

    PSM應用于工程仿真部門，是產(chǎn)品協(xié)同仿真中一系列零部件裝配關系、仿真分析和性能數(shù)據(jù)的集合，主要為企業(yè)和研究所提供產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)管理模型。PSM主要描述兩方面的數(shù)據(jù)關系：(1)產(chǎn)品的裝配關系，即由PDM獲得的產(chǎn)品所有零部件的裝配邏輯關系；(2)仿真數(shù)據(jù)的邏輯關系，即關于產(chǎn)品仿真分析中涉及到的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關系。

    3.1 PSM的組成

    PSM元素表達式為：PSM∈{Simulation Object，Simulation Workflow，Simulation LoadCase，Simulation Result，Simulation Report，Performance Report，Report Template}，組織結(jié)構(gòu)UML類圖，如圖2所示。PSM的UML類圖描述了PSM元素的結(jié)構(gòu)層次關系，是PDM系統(tǒng)中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的擴展。除了繼承產(chǎn)品裝配關系和零件自然屬性關系外，還定義了零部件的仿真工作流、仿真工況及分析產(chǎn)生的仿真結(jié)果和報告，描述了零部件及該零部件性能信息之間的關系。具體的元素定義如下：仿真對象(Simulation Object，簡稱SO)：表示需要進行仿真分析的機械產(chǎn)品，可以是產(chǎn)品的裝配體，也可以是產(chǎn)品的某零部件，屬于最小、自包含的組成單元，即—個仿真對象可以包含零個或多個仿真對象。PDM將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供給PSM，PSM轉(zhuǎn)化為以仿真對象表示的形式。仿真工作流(Simulation Workflow，簡稱SW)：仿真過程中針對某個仿真對象進行的性能仿真分析模板，如多剛體系統(tǒng)動力學分析、靜力學分析等，采用XPDL(XML Process Define Language)標準進行構(gòu)建。仿真工況(Simulation LoadCase，簡稱SL)：即載荷輪次，機械產(chǎn)品仿真過程中隨著仿真參數(shù)（邊界、載荷、材料、網(wǎng)格等）的變化而引起約束條件的差異。仿真結(jié)果(Simulation Result，簡稱SS)：仿真任務流在某仿真工況下驅(qū)動仿真軟件計算分析得到的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果包括元數(shù)據(jù)和結(jié)果文件。仿真報告(Simulation Report，簡稱SP)：針對某仿真結(jié)果分析，并按一定的模板(Word、Exeel)而生成的報告，屬于階段性報告。性能報告（Performance Report，簡稱PR）：針對某仿真對象分析而生成的報告，即對該仿真對象所有的仿真結(jié)果進行綜合分析，按一定邏輯關系組合的文檔，反映仿真對象的整體性能，屬于總結(jié)性報告。報告模板（Report Template，簡稱RT）：為生成相應的仿真報告和性能報告而設計的模板，模板形式有Word、Excel等。

    圖2 PSM的UML類圖

    3.2 PSM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣

    為了使產(chǎn)品仿真分析過程中各元素之間錯綜復雜的數(shù)據(jù)信息交換關系變得簡單明了，便于仿真人員迅速、直觀地理解整個產(chǎn)品仿真分析過程的數(shù)據(jù)流，辨別仿真分析中存在的數(shù)據(jù)耦合迭代關系，PSM采用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣來描述元素間的數(shù)據(jù)流關系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣（DSM，Data Structure Matrix）是源于多學科設計優(yōu)化（MDO，Multidisciplinary Design Optimization）中的設計結(jié)構(gòu)矩陣。在多學科設計優(yōu)化過程中，設計結(jié)構(gòu)矩陣主要解決設計中多學科耦合關系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣同樣以矩陣形式表示PSM元素之間的數(shù)據(jù)耦合及流轉(zhuǎn)關系，是一種圖形化的數(shù)據(jù)流，如圖3所示。矩形框代表元素；元素的數(shù)據(jù)輸入用垂直線段表示；元素的數(shù)據(jù)輸出用水平線段表示；垂直線段與水平線段交叉處的黑點表示一個元素的數(shù)據(jù)輸出為另—個元素的數(shù)據(jù)輸入；通過黑點連結(jié)的垂直線段與水平線段構(gòu)成—個數(shù)據(jù)環(huán)。位于矩形框上方的數(shù)據(jù)環(huán)代表數(shù)據(jù)信息的前饋，同理位于矩形框下方的數(shù)據(jù)環(huán)代表數(shù)據(jù)信息的反饋，所有的前饋和反饋組合起來，形成了包括相應元素數(shù)據(jù)的建立、前饋與反饋在內(nèi)的仿真數(shù)據(jù)回路。圖3中的PSM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣描述了PSM元素之間數(shù)據(jù)流的邏輯關系。在仿真分析過程中，仿真工作流中的流程實例化并執(zhí)行，驅(qū)動仿真分析軟件（商用/自編）進行計算。在前處理中，獲取仿真對象提供的CAE模型文件（非CAE模型需進行轉(zhuǎn)換）及相關的材料屬性等，同時獲得仿真工況中設定的仿真參數(shù)（邊界載荷約束、網(wǎng)格劃分等），經(jīng)過仿真軟件的計算以及后處理，生成仿真結(jié)果，包括相關的應力應變膜態(tài)等結(jié)果文件、圖片以及元數(shù)據(jù)（最大/小應力、單元類型及單元數(shù)等）。反過來，仿真結(jié)果模擬了仿真對象的失效形式和原因，作為仿真對象的反饋數(shù)據(jù)，指導仿真對象CAD模型的優(yōu)化。

    圖3 PSM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣

4 PSM功能架構(gòu)

    PSM功能架構(gòu)，如圖4所示。分為四層：數(shù)據(jù)層、操作層、服務層、客戶端。數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)庫以及文件庫組成，數(shù)據(jù)庫主要有材料庫、結(jié)果庫、產(chǎn)品配置庫、報告庫等，存儲產(chǎn)品配置信息、材料屬性、創(chuàng)建時間、創(chuàng)建人等數(shù)據(jù)，文件庫存放仿真工作流文件、有限元模型文件、結(jié)果文件、動畫圖片等數(shù)據(jù)，同時將文件索引存入數(shù)據(jù)庫中。操作層提供PSM數(shù)據(jù)訪問的統(tǒng)一接口，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫，文件庫的映射關系以及相關的增加、修改、刪除、查詢、編輯等基本操作，提供數(shù)據(jù)的配置管理、版本管理、存儲管理、更改管理、查詢管理等基本功能。服務層主要把操作層的基本功能采用Web Service和Rest Service技術封裝成系統(tǒng)服務、數(shù)據(jù)服務、權限服務和報告服務，供客戶端調(diào)用。客戶端主要負責與用戶的交互，由PSM Portal和Windows應用程序組成。

    圖4 PSM功能架構(gòu)圖

5 實例驗證

    PSM在某船舶行星齒輪減速器協(xié)同仿真平臺中得到了驗證，平臺中的PSM視圖，如圖5所示。船舶行星齒輪減速器由差動級、封閉級、輸入軸、輸出軸、兩級間連接件、箱體等組成，差動級主要組成部分為太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、行星架、行星架支架等，其產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)與PDM系統(tǒng)一致。這些零部件作為仿真對象結(jié)合相關的仿真工作流、仿真工況、仿真結(jié)果、仿真報告以及性能報告組成了性能模型樹，如圖5所示的左側(cè)樹。點擊樹上某對象（仿真對象、仿真工作流、仿真結(jié)果等）節(jié)點，右側(cè)將顯示該節(jié)點信息，如點擊“分析工況一”下的“太陽輪強度計算結(jié)果”節(jié)點，右側(cè)將顯示太陽輪強度計算任務流在分析工況一中產(chǎn)生的仿真結(jié)果信息，包括：結(jié)果文件、圖片、元數(shù)據(jù)、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時間、審簽人、版本、描述等。

    圖5 行星齒輪減速器協(xié)同仿真平臺PSM視圖

6 結(jié)束語

    PSM性能仿真模型是基于PDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，實現(xiàn)仿真對象、仿真活動、仿真結(jié)果、仿真報告等產(chǎn)品性能仿真數(shù)據(jù)有效管理的模型。結(jié)果表明：PSM性能仿真模型實現(xiàn)了設計數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的關聯(lián)性和交互性，解決了仿真元素之間復雜的數(shù)據(jù)流關系以及數(shù)據(jù)管理等問題，豐富了PDM在仿真領域方面的擴展。

核心關注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務領域、行業(yè)應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務領域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關注ERP管理系統(tǒng)的核心領域，是眾多中小企業(yè)信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.vmgcyvh.cn/

本文標題：基于PDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的機械性能仿真模型研究

本文網(wǎng)址：http://www.vmgcyvh.cn/html/solutions/1401939482.html