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航空工业仿真数据管理解决方案
2014年6月11日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:陆海燕
    单位:西门子工业软件(上海)有限公司技术部

    摘 要:本文分析了航空航天行业企业对于仿真数据管理(SDM)平台建设的普遍需求和挑战,总结了与之对应的SDM平台方案建设的要素与益处。提出了采用多学科CAEBOM来进行仿真业务数据的结构化管理这一概念,强调了SDM如何与设计流程协同、平台如何同外部工具联合构建自动化流程两个平台建设的关键要素。最后,通过用户案例说明了国外宇航工业在这方面的最佳实践。

    0 引 言

    近年来,为适应快速的航空工业发展需求,一方面,设计、验证和制造的周期需要压缩;另一方面,这些过程更具有复杂性,表现在设计与仿真的交互更为频繁,仿真在设计的各个阶段被广泛应用,且类型更为全面化,学科从常见的结构CAE分析,到CFD流体技术,电磁仿真,液压仿真,光学仿真等各个广义仿真领域。以整机厂为例,早期设计阶段所需要进行的常规CAE分析类型就多达几十种。CAE模拟分析可以依据不同的CAD数模版本和配置,用以快速模拟航空器性能,帮助设计人员准确预测不同设计方案的产品性能,提升决策质量,满足严格的适航标准,及缩短投放市场的间隔。随着仿真的大量应用,带来相关的大量业务过程数据和相关数据,这些数据以及流程都迫切需要管理,同时仿真的流程也需要标准化。由于设计和仿真存在天然的业务联系,仿真数据需要同设计数据一起纳入到企业信息管理的PLM大平台之内,并且保证设计和仿真数据以及流程的高效协同,以加快PLM平台的流程,保障设计数据的安全性和可靠性,增强各个部门对CAE仿真的信心,缩短整个航空器开发的周期。

    原有管理PDM和PLM环境尽管具备通用性的数据管理功能,但是数据管理的范围也仅限于对仿真的报告管理,而不能对仿真数据和流程做到专业化的管理。近十年来,仿真数据管理的业务需求,不断推进系统的发展进化,国外曾有少数企业是基于自身要求搭建了非商业化的仿真数据管理解决方案案例,从系统构建上分成大体两类,一类是基于PDM系统,增加客制化仿真数据管理功能的平台;另一类是在特定仿真工具流程基础上增加相应数据管理功能的系统,与PDM系统常常是分离的。近年来,这些系统不断演化,并成为商业化的仿真数据管理(Simulation Data Management,简称SDM)产品,且已经在很多国外的飞机设计制造公司应用实践,例如波音、GE发动机、霍尼韦尔等大型航空企业。

    1 航空行业仿真业务特点及仿真数据管理的挑战

    整机厂的CAE应用涉及的学科非常广泛,而且仿真业务与设计流程的交互也非常频繁,从概念设计到后期各个重要阶段,都需要虚拟验证作为重要的转阶段决策支撑。很多整机厂都已开展了二、三十年的CAE仿真业务,积累了大量的业务流程和数据,迫切需要对仿真的数据和流程做进一步的管理和梳理。与设计业务相比,仿真业务本身在应用的过程上更为复杂,完成一个仿真分析过程所需调用的工具常常有若干种,这种应用过程的复杂性和输入数据的多样性,给仿真过程数据管理(Sim-ulation Process Data Management,简称SPDM)带来与传统PDM系统不相同的要求和挑战。

    仿真数据管理的业务目标可以概括为以下三个层面:

    1.1 数据层面

    数据层面需要考虑以下四个方面:

    (1)考虑数据的全生命周期应用,以及与其他关联数据模型的一致性。

    (2)同一过程中,不同数据关联关系的定义与查询。

    (3)由于仿真业务的复杂性,其数据的属性也比设计数据更为复杂,数据的属性不仅仅是作为查询,检索分类的要求,还要具备能够提取作为分数统计数据的原始输入。

    (4)数据的结构既要与设计结构(CADBOM)保持一致性,又要具有体现仿真分析数据结构的特点。

    1.2 过程层面

    仿真业务是与设计、试验等一系列业务既独立又相互联系的活动和过程,所有的仿真业务是以产品为纽带进行的虚拟验证过程。过程本身需要有统一管理,包含标准的数据交换格式、数据生成工具、报告、报表处理格式。同时这些过程的协同过程,都需要系统提供一套有效的协同工作模式来运营;需要用项目管理等一系统手段来监控,保证流程的有效运行。

    1.3 应用层面

    仿真业务过程较设计应用会使用到更多的工具,在SDM平台内集成应用这些软件,是过程管理的重要内容。对于软件的集成应用不是简单组合、数量叠加和不计成本的二次开发,而是在统一标准和总体架构的基础上有机的集成,软件系统之间做到数据的方便交互。

    2 仿真数据管理解决方案的基本要素

    仿真数据管理是管理仿真数据、流程的协作工作平台,它和设计数据管理平台(PDM),以及试验数据管理平台(TDM)一样,是企业的整体PLM信息化管理平台的重要组成部分,但是由于管理对象和过程的差异性,它具有很多自身的特点。

    2.1 建立基于PLM一体化平台之上的仿真数据管理方案

    航空器的研制过程要经过方案设计阶段、初步设计阶段、工程发展阶段、生产及使用阶段,即从产品研发到产品报废的全生命周期。通常整机厂的PLM/PDM平台是涵盖了从产品概念设计、详细设计、分析优化、试验验证、制造、市场直至使用、维护、报废等全过程的平台,它融合了并行工程、工作流管理、知识管理等先进设计制造理念,由一系列软件工具和软件子系统组成的软件套件和解决方案的集成综合平台,在数据、过程、应用三个层面实现集成与协同,从而大大提升产品开发的过程管理。企业运营维护整个PLM系统,而不是各自独立的PDM、SDM系统,会使数据集成、系统维护和运营升级实现低成本、低风险。因此企业在建设SDM平台的时候需要基于设计数据、流程交互的流程效率要求,考虑与PDM平台的无缝集成能力。

    2.2 仿真业务对象构建与关联管理

    在航空器的研制过程中,需要涉及大量的CAE仿真业务活动,分析运用的学科从结构耐久、振动响应、碰撞安全等,到流体、电磁、液压传动、辐射分析等数十种学科,上百种工具。因此在考虑构建仿真数据管理时,要灵活地创建数据对象,用于保存这些数据对象不同阶段的版本数据,以确保整个分析过程的数据具有关联性。数据对象创建要有足够的灵活度,可依据不同的分析种类来派生其他类型的仿真业务对象,不同类型的业务对象,可定义不同的“目标”或者“源”关系,以建立彼此之间的复杂关联关系。如定义一设计对象的版本与仿真网格对象的版本之间的关系,可以帮助设计人员或仿真人员由一个对象查找到另一对象,或者由此来监控版本的更新信息,这些业务过程中彼此之间的复杂谱系关系便一目了然。

    2.3 CAEBOMS构建

    在PDM产品数据管理平台中,CADBOM如同中枢骨架一般,串起整个产品的结构和数据,其重要地位可见一斑。作为SDM平台,同样需要引入BOM的结构概念,但是通常某一产品的设计BOM只有一个,而CAEBOM则依据不同的学科分析呈现多样化。例如,做噪声和耐久分析所需要的CAE结构是不一样的。因此,SDM平台上的CAEBOM是分学科独立的,但是每个CAEBOM和CADBOM又要有关联性。CAEBOM通常具有与CADBOM类似的结构性,是采用软件系统功能从CADBOM映射产生的。可依赖一定的规则创建CAEBOM的功能,定义每一条BOM行过滤、重用、跳过等准则,为不同分析类型构造灵活多样的CAEBOM。每个CAEBOM既带有CAD三维数据又带有数据装配结构关系,以及附属(如材料)属性等。从而,可以方便地将含装配结构数模以及属性数据传递到前处理工具中。

    2.4 仿真与设计的协同管理

    在PLM一体化平台内的设计、仿真数据的共同管理,可以做到很好的协同管理,从而提升仿真驱动设计的作用。从两个层次来理解协同,一是流程协同,一是数据协同。

    流程协同,项目管理、需求管理等可以把整个产品研发流程中设计和仿真业务综合关联起来;一个工作审批流程也可以把设计、仿真以及工艺等不同部门纳入到同一个业务审批流程中,依赖系统提高不同部门的协同效率。

    数据协同,分析师如何快速地找到分析所用的几何模型?如何知道当前所获取的设计模型是否是最新的版本?如何获取工程属性数据?同一系统可提供站内版本更新通知订阅功能,可以随时将设计版本更新的信息提供给仿真人员。此外,仿真人员通过结构管理器可以比较CAEBOM所引用CADBOM的版本变更信息,之后针对变化作出网格是否基于几何变化更新决定。

    2.5 仿真流程的建立

    仿真流程相对于设计流程而言,有诸多业务模型的关联性,除了与上游设计数据要保证关联关系,仿真数据还需要与仿真业务中不同阶段的数据保持相关的联系,比如简化几何、网格、作业、结果文件之间以及后续的一些数据都应该保持相关的联系,并且关联的维护关系方式必须灵活易管理。

    由此可见,仿真平台内的流程构建,一方面需要构建业务数据的流动流程,串联起若干仿真环节的数据流动;另一方面,需要考虑建立和设计文档管理一样的审批发布流程,对仿真数据进行全生命周期管理。可通过工作流结合工具调用的方式将任意仿真流程在系统内实现,以此提供协同工作的方式,让流程和数据在多个用户间流动,提高工作效率,并提供数据安全保障。

    2.6 仿真可视化

    采用JT轻量化格式对CAD模型进行装配和可视化,已成为PDM数据平台进行CAD数据可视化的标准,给数据管理带来了非常多的益处,如实现CAD结构浏览的可视化快捷性,无需打开工具软件即可进行轻量化模型外形的比较,同时非设计人员审批也采用轻量化可视化模型,提高了决策的效率和质量。CAE可视化,同样可以采用JT格式对网格、分析结果的可视化浏览,起到与设计管理相同的作用,此外考虑到CAE数据格式多样性的特点,系统需要有足够的柔性支持并提供对其他轻量化格式集成的方式。

    2.7 SDM与外部仿真工具集成

    对于大型企业而言,所用到的仿真工具常常多达上百种。如常用的结构类CAE工具,其种类也非常繁多,但是与工程师交互最密切的就是前处理网格工具。其主要任务是完成CAD几何的读入,网格的划分,以及特定求解问题的设定,并形成求解文件的输出,然后交付给解算器。在CAE网格处理工具与CAD数据交互的过程中,传统流程上有几个关键的问题需要进行效率上的改善。在SDM平台中,需要进行数据的传递过程主要是将CAD的数据、结构以及属性能够自动化的传递到前处理工具中去。系统需要具有充分的柔性化架构,用以满足多种方式与多种前处理工具集成、封装和调用,如图1所示。

航空工业仿真数据管理解决方案陆海燕
图1 SDM与广泛的仿真工具集成

    对于求解器的集成方式,多通过计算平衡调度系统或者直接调用求解执行文件来完成,这样用户无需离开仿真数据管理环境就可以进行仿真作业的递交,和计算结果的回传,满足流程的可控和安全需要。

    求解完毕的结果文件,可通过被集成的后处理软件,运行一些脚本程序生成报告或者二次开发界面提取特定的轻量化输出结果,并回传到仿真数据管理系统。采用这样的方式,便于用户“一键式”完成报告的输出,具有格式固定、效率高等优势。

    2.8 知识资源的积累和重用

    在产品研制的过程中,不同阶段会形成不同的知识经验积累,这些知识经验是企业的宝贵财产,如何积累并重复应用这些资源是企业研发管理的重点。PLM平台要求每个研发项目结束后都进行经验的总结,如何将这些宝贵的项目经验进行审核归档,整理分类并且在有效的权限范围内进行共享,使这些宝贵的经验能够得到有效积累和传承是企业持续发展和创新的重要因素。仿真数据管理平台提供了分类管理的功能,对仿真模型库、模板以及标准等可进行分类存储,并根据类型进行按部门按学科项目的分类,使授权用户能够快速地查找并获取所需的经验案例,从而对新项目的研发起到有效的指导、支持作用。

    2.9 平台构架与部署

    目前市场上已经有很多成熟的商业化PLM软件,提供了很好的SDM基本模块,该类建设时所构架的平台,通常具有和PDM系统共同的特点,有二层或者四层架构,如图2所示。如Team-center软件是基于SOA架构的PLM平台,客户可以依据需求构架胖客户端或者瘦客户端[1]。

航空工业仿真数据管理解决方案陆海燕
(a)二层架构

航空工业仿真数据管理解决方案陆海燕
(b)四层架构
图2 SDM系统架构图

    2.10 其他

    除了个性化需求之外,仿真数据管理也和设计数据管理具有非常多的共性要求,比如数据的权限管理、项目管理、分类管理、需求管理等。如果企业将SDM平台和PDM平台统一架构在同一产品系统上,则可以大大节约平台的建设和维护成本,同时便于设计与仿真业务的协同开展。

    此外航空工业多采用厂、所协同开发制造模式,需要在各个厂、所之间建立多站点协同系统,方便数据的交互,一体化的平台更能满足系统的安全性和效率性。

    3 用户SDM案例

    3.1 霍尼韦尔航空航天集团

    霍尼韦尔(Honeywell)航空航天集团在2007年开始进行分析数据管理系统的广泛应用。目前有许多分析人员使用西门子Teamcenter8.3产品构建的仿真数据管理系统,进行全球的仿真数据交换,如图3所示。从最初手工文件夹仿真数据管理的模式,转变为平台化管理,实现了分析数据的全球化,流程的实时共享。通过该平台,数据的交互及对设计决策的支持更为有效[2]。

霍尼韦尔在Teamcenter上构建的SPDM
图3 霍尼韦尔在Teamcenter上构建的SPDM

    3.2 诺斯罗普·格鲁曼公司航空事业部

    诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)航空事业部使用西门子公司的Teamcenter构建的仿真数据管理,如图4所示。将仿真数据管理以及流程管理纳入到平台中,并且在平台内集成了大量的工具,如NX CAE、Femap等,有效地改善了流程的效率,提升了操作的标准化和准确度[3]。

航空工业仿真数据管理解决方案陆海燕
图4 诺斯罗普·格鲁曼公司在Teamcenter上构建的SPDM

    3.3 MAYA公司

    MAYA公司是一家从事卫星设计的公司,业务涉及从CAD设计到仿真分析,其中仿真分析包括振动、冲击、疲劳和热传导等。设计分为概念设计、关键设计以及试验验证等多个阶段。在这个过程中,设计师、项目经理、分析师以及供应商和最终用户都需要及时地分享设计数据和分析结果,Teamcenter for Simulation部署实施后恰好解决了这个难题,实现了数据的最佳共享,使工作流程合理化[4]。

航空工业仿真数据管理解决方案陆海燕
图5 Teamcenter for Simulation利用CADBOM创建仿真结构CAEBOMS

航空工业仿真数据管理解决方案陆海燕

图6 TeamcenterforSimulation中浏览JT格式仿真结果

    该平台实现的业务价值如下:

    (1)配置管理需求

    卫星在发射前后处于不同的姿态。通过配置不同的设计模型,再进行仿真分析,在Teamcenterfor Simulation这个平台上快速沟通了仿真的数据和结果,节约了大量的时间。

    (2)CAD数据的快速利用

    一直以来,Maya的工程师希望用更快更一致的方法来选择正确的CAD进行仿真建模,比如部件之间的螺栓或者铰接的CAD模型在进行分析的时候是不需要模型的,因此可以忽略。在TC平台上,快速对这类CAD部件进行标记,再通过”结构映射准则”内置的规则,过滤掉这些模型,来创建对分析有用的CAEBOM,将其读入到前处理软件中,减少了删除无用CAD的过程,加快了仿真流程。同时CADBOM中的属性(比如材料、板厚等信息)也很容易伴随CAEBOM读入进去。

    (3)轻量化模型、结果分享

    通过TC仿真管理这个平台,很容易通过工作流程将仿真的模型、结果通过轻量化JT模型做到快速的分享。

    (4)数据共享

    TC仿真管理解决方案现在允许项目工作流更多的人来定义跨多个供应商的分析部件和组件,从而为改进设计提供更多机会。Duquette的工作团队采用项目管理的机制有效地协调了产品的开发,增加了部件和系统的重用,节约了时间并且及时释放了资源。

    例如,质量预算是卫星系统设计的关键制约因素。使用Teamcenter仿真解决方案,供应商可以与其他团队成员及时分析仿真结果,以便立即基于最新的性能信息和系统对整体质量影响来选择特定设计。

    4 结束语

    相对于成熟的PDM而言,SDM还是一个新兴的解决方案。产品本身的成熟度,解决方案的全面性以及团队实施等各个方面,都需要一个成长的过程,但是SDM作为新兴的PLM领域已经日益受到关注,将成为数据管理的新兴管理领域[5]。我们相信平台应用的过程中,必将带来仿真分析有序化、工业化、平台化的信息化管理水平提升。从而实现对航空产品设计能力的改善、效率增强的目标。

    参考文献

    [1]Teamcenter 8.3帮助文档[M].美国:西门子工业软件公司,2010.Teamcenter 8.3help[M].US:Siemens Industry software,2010.(in Chinese)

    [2]PLM世界分析数据管理[C].美国霍尼韦尔:2012年西门子PLM用户大会,2012,5.PLM world analysis data management[C].Honeywell 2012Siemens PLM Connections,2012.(in Chinese)

    [3]诺斯罗普·格鲁曼-结构分析工具现代化[C].美国诺斯罗普·格鲁曼:2012年西门子PLM用户大会,2012.Northrop Grumman-structural analysis tools modernization[C].Northrop Grumman 2012Siemens PLM Connections,2012.(in Chinese)

    [4]Teamcenter用户案例[M].美国:西门子工业软件公司,2011. Teamcenter case study[M].US:Siemens IndustrySoftware,2011.(in Chinese)

    [5]Virtually perfect:driving innovative and lean products th-rough product lifecycle management[M].US:Space CoastPress,2011.

    作者简介:

    陆海燕(1972-),女,高级工程师。主要研究方向:结构有限元分析、PDM和SDM数据管理。

标签:航空工业
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