1 引言
隨著現代信息化技術的高速發展，計算機仿真技術已經成為制造業加速產品研制生產，縮短研發周期，降低制造成本的主要手段之一。機械協同仿真是隨著仿真技術及計算機并行技術的發展而產生的一種新型機械產品仿真模式，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品，并行交互進行仿真，最終得到產品多方面性能的仿真結果。
2 仿真數據管理
機械協同仿真涉及多學科領域的共同協作，分析過程復雜繁瑣，分析類型多種多樣，決定了在協同仿真過程中會產生大量的、形式各異的數據。與一般的數據相比，仿真數據主要有數據種類繁雜、數據量龐大、數據邏輯復雜、知識重用性差等方面的特點。在產品生命周期管理中，企業和研究所主要采用PDM系統進行數據管理。PDM系統的核心是產品結構管理，以產品結構的形式來維護產品本身構成關系，并圍繞產品本身構成關系組織管理一切與產品相關的數據。產品結構管理主要提供以下三方面功能：(1)維護產品裝配關系；(2)將組成產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）聯系起來，形成完整的產品結構樹，直觀地表述產品所有信息；(3)控制產品信息的版本及相互關系。某船舶行星齒輪減速器的產品結構示意圖，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、內齒圈、行星架、行星架支架等。行星齒輪減速器產品結構樹反映了行星齒輪減速器中部件-部件-零件的裝配關系，同時每個樹節點包含了該零部件的數據及版本信息，如圖1所示。由于仿真數據邏輯復雜性以及仿真分析的高度迭代性，直接應用PDM系統進行協同仿真數據存在存儲結構復雜及大文件檢入/檢出等問題。國內外業界對此展開了相關的研究，一些大型企業、研究所、高校都初步構建了仿真數據管理的解決方案，如MSC公司的仿真數據管理解決方案SimManager，某公司研發的Altair Data Manager(ADM)解決方案，北京某大學一些科研人員研究了協同仿真運行管理平臺，清華大學熊光楞等研究了基于Web技術的協同數據管理。但由于產品仿真分析需求的多樣性、仿真工具的學科性以及協同仿真平臺或環境的側重點不同等因素，對于機械產品仿真數據的管理技術及管理方案的研究，各大商業軟件生產商及研究機構之間也沒有形成共識。
圖1 產品結構示意圖
結合某船舶行星齒輪減速器仿真過程，并基于產品結構管理的特點，提出協同仿真數據管理的技術解決途徑—性能仿真模型（PSM，Performance Simulation Model），分析了協同仿真數據結構層次關系以及數據邏輯流轉關系，實現了仿真分析-對象。數據的統一，描述了仿真結果之間的復雜邏輯關系，解決了仿真數據與PDM結合的問題。
3 性能仿真模型
PSM應用于工程仿真部門，是產品協同仿真中一系列零部件裝配關系、仿真分析和性能數據的集合，主要為企業和研究所提供產品性能數據管理模型。PSM主要描述兩方面的數據關系：(1)產品的裝配關系，即由PDM獲得的產品所有零部件的裝配邏輯關系；(2)仿真數據的邏輯關系，即關于產品仿真分析中涉及到的數據流轉關系。
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}，組織結構UML類圖，如圖2所示。PSM的UML類圖描述了PSM元素的結構層次關系，是PDM系統中產品結構的擴展。除了繼承產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、仿真工況及分析產生的仿真結果和報告，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品，可以是產品的裝配體，也可以是產品的某零部件，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將產品結構提供給PSM，PSM轉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，如多剛體系統動力學分析、靜力學分析等，采用XPDL(XML Process Define Language)標準進行構建。仿真工況(Simulation LoadCase，簡稱SL)：即載荷輪次，機械產品仿真過程中隨著仿真參數（邊界、載荷、材料、網格等）的變化而引起約束條件的差異。仿真結果(Simulation Result，簡稱SS)：仿真任務流在某仿真工況下驅動仿真軟件計算分析得到的數據，仿真結果包括元數據和結果文件。仿真報告(Simulation Report，簡稱SP)：針對某仿真結果分析，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的數據結構矩陣
為了使產品仿真分析過程中各元素之間錯綜復雜的數據信息交換關系變得簡單明了，便于仿真人員迅速、直觀地理解整個產品仿真分析過程的數據流，辨別仿真分析中存在的數據耦合迭代關系，PSM采用了數據結構矩陣來描述元素間的數據流關系。數據結構矩陣（DSM，Data Structure Matrix）是源于多學科設計優化（MDO，Multidisciplinary Design Optimization）中的設計結構矩陣。在多學科設計優化過程中，設計結構矩陣主要解決設計中多學科耦合關系。數據結構矩陣同樣以矩陣形式表示PSM元素之間的數據耦合及流轉關系，是一種圖形化的數據流，如圖3所示。矩形框代表元素；元素的數據輸入用垂直線段表示；元素的數據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據輸出為另—個元素的數據輸入；通過黑點連結的垂直線段與水平線段構成—個數據環。位于矩形框上方的數據環代表數據信息的前饋，同理位于矩形框下方的數據環代表數據信息的反饋，所有的前饋和反饋組合起來，形成了包括相應元素數據的建立、前饋與反饋在內的仿真數據回路。圖3中的PSM數據結構矩陣描述了PSM元素之間數據流的邏輯關系。在仿真分析過程中，仿真工作流中的流程實例化并執行，驅動仿真分析軟件（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（邊界載荷約束、網格劃分等），經過仿真軟件的計算以及后處理，生成仿真結果，包括相關的應力應變膜態等結果文件、圖片以及元數據（最大/小應力、單元類型及單元數等）。反過來，仿真結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據，指導仿真對象CAD模型的優化。
圖3 PSM數據結構矩陣
4 PSM功能架構
PSM功能架構，如圖4所示。分為四層：數據層、操作層、服務層、客戶端。數據層由數據庫以及文件庫組成，數據庫主要有材料庫、結果庫、產品配置庫、報告庫等，存儲產品配置信息、材料屬性、創建時間、創建人等數據，文件庫存放仿真工作流文件、有限元模型文件、結果文件、動畫圖片等數據，同時將文件索引存入數據庫中。操作層提供PSM數據訪問的統一接口，實現與數據庫，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，提供數據的配置管理、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技術封裝成系統服務、數據服務、權限服務和報告服務，供客戶端調用。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功能架構圖
5 實例驗證
PSM在某船舶行星齒輪減速器協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、內齒圈、行星架、行星架支架等，其產品裝配結構與PDM系統一致。這些零部件作為仿真對象結合相關的仿真工作流、仿真工況、仿真結果、仿真報告以及性能報告組成了性能模型樹，如圖5所示的左側樹。點擊樹上某對象（仿真對象、仿真工作流、仿真結果等）節點，右側將顯示該節點信息，如點擊“分析工況一”下的“太陽輪強度計算結果”節點，右側將顯示太陽輪強度計算任務流在分析工況一中產生的仿真結果信息，包括：結果文件、圖片、元數據、創建人、創建時間、審簽人、版本、描述等。
圖5 行星齒輪減速器協同仿真平臺PSM視圖
6 結束語
PSM性能仿真模型是基于PDM產品結構管理，實現仿真對象、仿真活動、仿真結果、仿真報告等產品性能仿真數據有效管理的模型。結果表明：PSM性能仿真模型實現了設計數據與仿真數據的關聯性和交互性，解決了仿真元素之間復雜的數據流關系以及數據管理等問題，豐富了PDM在仿真領域方面的擴展。
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本文標題：基于PDM產品結構的機械性能仿真模型研究
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