0 引言

    中國*汽車股份有限公司（簡稱一汽）技術中心承擔一汽集團商用車產品、乘用車產品及發動機、變速箱、車身和汽車電子等重要總成的自主研發任務，在早將CAE技術用于汽車產品自主研發，經過二十多年的發展，CAE技術已經在一汽技術中心的產品開發中得到廣泛應用，發揮重要作用，形成基礎部、車身部和發動機部等多支數百人、實踐經驗豐富的CAE仿真分析團隊，涉及的領域涵蓋商用車和乘用車的發動機、底盤、車身和整車等，囊括整車多體動力學分析（平順性和操縱穩定性仿真、懸架性能、中低頻振動、動力性和經濟性等）、車身安全和結構分析（碰撞和安全性、車身模態、強度和剛度分析等）、整車及發動機CFD分析（發動機冷卻系統、機艙流動分析、氣缸內流動燃燒分析、整車空氣動力學分析、空調系統分析和氣動噪聲分析等）和結構分析（缸體、缸蓋有限元分析，發動機懸置托架拓撲優化和疲勞耐久性分析等）以及涉及單學科和多學科的優化分析等。

    經過多年投入，相關的軟、硬件設施得到完善，與產品設計體系、試驗驗證體系一道，成為產品開發的重要支撐。CAE的重要性、有效性得到廣泛認同，形成較為完整并經實踐驗證可行的一套分析流程和規范。隨著產品性能要求的不斷提升和新技術、新方法的應用，技術中心CAE專家和部門也在不斷對其進行更新和修訂，保證CAE技術對設計的指導作用。在*的分析實踐中，積累了大量的CAE分析模型、數據、結果、報告及與相關的試驗數據。

    技術中心十分強調CAE工程師與設計師、試驗工程師的協作，CAE工程師隸屬于各個專業科室，除結構分析外，沒有專門的計算分析科室，這種組織結構有利于CAE工程師與設計師的交流，有利于對問題的準確理解和定義，也有利于向設計師準確地解釋分析結果。

    隨著業務規模的發展，技術中心CAE應用也體現出不足，主要體現在以下幾方面：

    （1）知識和數據管理，大量的仿真分析數據存儲于個人計算機上，沒有統一存儲和按項目及數據屬性分類歸檔，難以檢索，難以共享和重復利用；仿真分析數據目前的存儲和管理方式造成部門之間信息共享困難，部門之間信息和數據溝通效率低；雖積累了大量的各學科分析流程經驗，但沒有系統地總結和梳理，缺乏標準化、規范化和文檔化，難以有效推廣利用，仿真分析結果的*性難以保證；向新員工傳授已有仿真分析經驗的過程較慢，不利于新員工的快速成長。

    （2）項目支撐。對于大的車型或總成研發項目，多個部門人員參與并產生眾多分析任務，缺乏對分析任務進展和結果進行監控的方便方式；缺少支持項目充分利用CAE工具的環境和平臺。

    （3）效率和資源。重復工作占用大量人力資源，骨干人員深陷常規分析任務，影響其在新方法、新技術研究方面投入精力，不利于專業長遠發展；CAE相關軟、硬件資源的應用效率得不到統計評估。

    基于上述情況，有必要建立支撐仿真數據及知識管理的IT系統。

1 需求分析與系統設計

    1.1 總體目標

    若想改變技術中心CAE工作的現狀，需建立企業級的CAE數據及知識管理平臺。從技術中心的研發特點和現狀出發，充分體現和溶人技術中心在*的CAE實踐中取得的成果、經驗和規范，形成一個基于成熟CAE系統架構的企業級協同仿真平臺，該平臺將仿真知識（數據）管理、仿真流程管理及權限和分析任務管理等功能融于一體，建立并不斷積累技術中心仿真分析知識庫，實現CAE項目質量監控，促進技術中心的CAE應用，從而支持企業的產品研發和創新工作，同時，借鑒國外同行的CAE分析發展成熟的實踐經驗，快速提高和完善CAE能力以協助自主研發能力的提高。

    系統目標：

    （1）CAE數據及知識的管理、積累和重用。

    （2）項目質量保障，規范CAE活動、有效支持產品開發項目、實現CAE分析的工程價值。

    1.2 系統設計思路

    技術中心CAE數據及知識管理系統基于SimManager R3.1產品框架實現，該產品框架包括仿真數據和流程管理的基本功能。CAE數據及知識管理系統的功能在該產品框架基礎上通過配置和開發實現。這種方式有助于縮短開發時間、降低項目風險，并保證系統運行的穩定性和擴展性。

    在系統體系架構設計方面，構建中心級仿真數據及知識管理平臺框架+各科室專業仿真流程的設計方式。中心級的仿真數據及知識管理平臺框架涵蓋系統及各專業通用的功能，如公共數據維護、外部系統接口、數據版本控制及變更、報告自動生成、知識重用和仿真業務流程等，該框架在比較長的時期內保持穩定。各個專業的分析流程隨著CAE技術和手段的不斷完善逐步擴展和豐富。成熟和規范的專業流程可以通過自動化的方式在系統中使用，提高工作效率；相對不成熟的分析流程可以通過數據的版本控制功能按照存儲數據規范將仿真數據保存到平臺數據庫，不影響數據和知識的積累。中心框架和專業學科見圖1。

圖1 中心框架和專業學科
 

1.3 總體方案

    CAE數據及知識管理平臺功能的總體方案架構見圖2。

圖2 CAE數據和知識管理平臺功能架構

    整體功能架構包括中心級CAE管理模塊、各專業學科功能模塊和外部系統集成接口模塊3個部分。

    中心級CAE管理模塊包括在SimManager產品基礎上建立CAE數據及知識管理模塊、項目質量監控模塊和業務流程管理模塊等。SimManager產品包括基礎數據管理模塊、基礎流程管理模塊、基礎權限管理模塊、集成客戶端模塊和數據庫接口模塊等，在基礎功能模塊的基礎上通過開發和配置建立中心級CAE數據及知識管理系統的架構，該架構保持穩定性，滿足技術中心目前及未來發展的需要。

    各專業學科，包括安全學科、多體動力學學科、CFD學科、NVH學科、結構與耐久性學科和工藝仿真學科等都需要使用CAE數據及知識管理系統，并且將來可以向其他學科擴展。其中安全學科、多體動力學學科和CFD學科等有超出中心級模塊的需求，需要針對本學科進行功能開發，其他學科的需求由中心級的模塊功能涵蓋。

    外部系統集成接口模塊提供外部系統集成接口，包括從信息網提取人員信息（通過中間格式文件），并預留高性能計算系統接口。

    CAE數據及知識管理系統支持各種角色從客戶端（B/S架構客戶端）以自己的權限在系統中進行工作，系統支持技術中心用戶異地訪問和使用。

    1.4 CAE知識管理和重用

    CAE數據及知識管理系統實現CAE知識的管理和重用，CAE知識表現在：（1）評價參數；（2）分析報告；（3）分析過程數據，設計模型，網格模型，設計輸入條件，分析模型，求解文件，原始結果和關鍵結果等；（4）分析規范，包括分析流程規范、分析相關材料數據、標準模型和二次開發工具等。

    這些CAE知識通過CAE任務模板、自動化流程和分類保存的CAE數據模型等方式實現管理并重用。

    1.5 數據庫設計

    數據庫設計決定系統存儲數據的規范，是整個系統運行的基礎。CAE數據及知識管理系統的數據庫設計在SimManager產品已經構建的數據庫設計基礎之上，通過配置和開發以滿足CAE集成平臺的業務需要。

    面向CAE分析業務的相關數據類型，涉及前處理、求解、后處理和其他分析業務等。在此基礎上，CAE集成平臺根據平臺業務需要增加平臺自有的數據類型，其關系見圖3，圖中箭頭表示“繼承自”的關系。

圖3 CAE數據和知識管理平臺數據類型定義

    1.6 流程和權限管理

    基于SimManager的CAE數據及知識管理系統的流程管理步驟：（1）詳細分析和梳理用戶流程及調研結果；（2）定義、規劃數據模型，定義流程中的數據模型；（3）定義、規劃流程動作，定義流程動作的輸入、輸出；（4）配置數據模型；（5）流程動作相關配置或開發；（6）如果有隊列系統，考慮隊列系統的集成。

    CAE數據及知識管理系統中的用戶權限管理是通過基礎運行框架SimManager的權限訪問系統中角色（Role）、域/項目（Domain/Project）和數據發布級別（Release Level）等來綜合實現的，具體為：（1）對數據的權限，包括對數據的讀、寫、刪除、流程執行、數據等級提升、數據等級降低、流程的終止和更改數據所有者等；（2）流程權限，系統根據角色的不同，對流程功能進行分配，包括普通用戶流程、審計管理流程、系統管理功能和安全管理功能等。在CAE數據及知識管理系統中，通過角色和數據發布級別等方式，實現對用戶的權限控制。例如，項目中包括哪些人員，哪些人員為管理者、哪些為分析項目負責人，一旦具有相應的角色和權限，即可以訪問相應的數據，進行相應的操作。
 

2 系統實施

    2.1 系統架構定義

    CAE數據及知識管理系統的部署結構見圖4。包括：（1）客戶端/本地機，用戶主要通過瀏覽器訪問CAE數據及知識管理系統網絡平臺；（2）SimManager網絡應用服務器為一臺獨立的服務器；（3）數據庫采用用戶目前使用的Oracle數據庫系統；（4）文件存儲服務器直接mount到SimManager服務器端；（5）SimManager和應用軟件的License通過Flexm等方式安裝在License服務器上。專業科室的專業工具軟件的License平臺不做通用管理，但是需要保證在需要軟件許可時能夠訪問對應的License服務器。

圖4 部署結構

    http方式訪問SimManager網絡應用服務器，在本地機上應安裝有JRE環境；（2）SimManager平臺以JDBC方式訪問數據庫，對數據庫的訪問為開箱即用功能，只需在數據庫中創建數據庫實例即可，部署完成即可使用。

    2.2 系統數據模型構建

    充分利用SimManager產品自帶的數據模型，結合技術中心的實際仿真業務需要，對數據模型進行構建。基于簡潔實用的原則，構建以下數據模型：

    （1）CAE任務模板。一個CAE任務模板代表一個標準的分析類型，在CAE任務模板上附屬相關分類屬性、仿真數據歸檔規范、評價參數、應用工具和報告模板等文檔。CAE任務模板作為仿真分析工作實施、仿真數據入庫保存和創建CAE任務的依據。各專業必須對CAE相關的分析類型進行梳理和歸納，建立標準的CAE任務模板。

    （2）項目，與技術中心項目管理系統的項目相*，對應實際的研發項目。可以在系統中創建或者從項目管理系統中導入。

    （3）任務。CAE任務作為在項目中實例化的CAE任務模板，可以作為分配給CAE工程師的zui小的工作單元。

    （4）方案。即附屬于一個任務的分析方案，在一個任務下，設計師可以提交多個輪次多個設計方案作為輸入供CAE工程師進行分析，CAE工程師也可以自己創建方案并進行分析。一個方案包括一系列的分析數據，如評價參數、設計模型、網格模型、設計輸入條件、分析模型、原始結果、關鍵結果和分析報告等，這些分析數據依據相應的CAE任務模板的規范保存。

    在CAE數據及知識管理系統中，充分考慮仿真數據分類和查看，用戶可以從項目、學科和產品節點等視角查看相關仿真數據。

    2.3 CAE知識管理和項目質量保障

    在CAE知識管理和項目質量保障方面，系統借助以下技術措施和應用來實現需求：（1）CAE仿真數據的分類；（2）項目、學科和產品視角的數據查看；（3）對標歷史數據，用于對比當前方案與同類歷史方案的同類參數，協助分析任務判斷當前方案的優劣，同時幫助分析隨著年代的推移，各個參數的變化趨勢；（4）評價參數跟蹤，用于在一個任務進行過程中，方案的評價參數隨著迭代逐步變化的情況；（5）評價參數分類滿足情況統計，將所有模板的設計相關的評價參數按照標準分類，評估在一個項目、任務或某產品節點的相關設計和相關評價參數對各個分類的滿足情況。

    2.4 與其他系統集成

    與CAE數據及知識管理平臺相關聯的系統包括中心信息網、各專業室求解服務器隊列系統和項目管理系統等。

    CAE數據及知識管理系統的人員信息來自于技術中心OA網，CAE管理系統集成隊列系統MSC.Analysis Manager/PBS，實現求解任務的遠程提交和監控，系統的項目信息和項目管理系統保持*，可以導人也可以在系統中直接創建。

3 仿真分析自動化

    在系統中集成仿真軟件，尤其是CFD模塊和安全模塊，相關流程緊密結合在系統中，實現仿真過程的自動化，提高效率。

    SimManager提供服務器端（SSAE）和客戶端（CSAE）兩種運行方式封裝應用軟件，服務器端運行方式應用軟件安裝在服務器端，用戶無交互運行；客戶端運行方式應用軟件安裝在客戶端，用戶通過瀏覽器登陸到SimManager服務器，執行相應的流程，SimManager調用相應的應用程序，用戶以交互式或自動方式來執行應用程序。

    SimManager將工具軟件封裝在流程中，有兩種運行方式：（1）交互式，SimManager將應用軟件啟動，用戶在軟件中操作完成相應的任務工作；（2）自動式，SimManager將應用軟件啟動，根據提供的腳本模板自動完成相應的工作。

    3.1 氣道CFD分析自動化

    為方便在氣道設計過程中及時根據氣道穩態CFD模擬分析結果指導氣道3D模型的設計，同時對氣道模擬分析過程規范化，開發嵌入到CAE平臺中的氣道自動分析流程模塊，自動分析過程見圖5。

圖5 氣道自動化分析平臺流程

    氣道的CFD分析模塊是由CAD設計師主導，無需CFD工程師參與的緊耦合系統，可以實現氣道方案的CFD分析自動化，用戶提交CAD模型以及標準化的輸入條件并運算，可以獲取類似log文件的xml文件，原始分析結果文件包含評價參數的結果信息文件和標準化報告等。

    氣道自動化CFD分析模塊實現從建模到結果處理的氣道穩態流動CFD分析全過程自動化，是面向設計師CFD的分析模塊，可以使氣道設計師及時了解氣道內的流場信息，指導結構的改進，實現氣道的CFD分析時間減少，縮短整個氣道的設計開發周期。

    針對氣道開發過程中的CFD分析需求，該平臺可以進行7種情況的穩態氣道流場分析：（1）柴油機進氣道分析；（2）汽油機進氣道渦流分析；（3）汽油機進氣道滾流分析；（4）排氣道分析；（5）柴油機進氣道加支管分析；（6）汽油機進氣道加支管渦流分析；（7）汽油機進氣道加支管滾流分析。

    3.2 被動安全分析自動化

    安全模塊開發主要以SimManager和SimXpert為工具，搭建基于web的安全仿真分析流程和數據管理系統，該系統可有效避免重復勞動帶來的人工成本和人為的低級錯誤，規范專業組的工作方法，固化過程及結果數據，提高專業的通過能力及工作質量。

    功能模塊有：（1）安全仿真規范管理模塊；（2）車身自動點焊裝配模塊；（3）求解、結果后處理和報告過程自動化模塊；（4）試驗數據歸檔模塊；（5）曲線對比模塊。根據功能需求及開發方案設計的系統架構見圖6。

圖6 安全系統架構

    仿真規范管理是對安全仿真分析所涉及的相關技術準備文件、過程文件、接過文件和仿真方法等相關的規范文件進行明確定義及編寫，并在系統開發過程中進行固化，指導實際的仿真分析工作，主要包括：（1）材料名稱命名規范；（2）截面特性名稱命名規范；（3）焊點文件編寫規范；（4）車身總成命名規范；（5）所有相關文件的命名規范；（6）各分析模版的計算分析規范；（7）關鍵結果提取規范；（8）自動化報告生成規范。

4 結束語

    仿真數據及知識管理系統構建中心級仿真管理框架，可滿足不同級別的不同需求，系統已經上線運行，主要包括：（1）以CAE任務模板為核心的數據和知識管理體系；（2）仿真分析規范的管理體系；（3）以CAE任務為單元的仿真任務管理體系；（4）以方案為基本單元的仿真數據管理體系；（5）設計師和CAE工程師在平臺上的協作工作；（6）分析結果與歷史數據對標、評價參數跟蹤；（7） CAE任務進展情況統計報告；（8）部分自動化CAE分析任務在平臺上的驅動。