0 引言
中国第一汽车股份有限公司（简称一汽）技术中心承担一汽集团商用车产品、乘用车产品及发动机、变速箱、车身和汽车电子等重要总成的自主研发任务，在国内最早将CAE技术用于汽车产品自主研发，经过二十多年的发展，CAE技术已经在一汽技术中心的产品开发中得到广泛应用，发挥重要作用，形成基础部、车身部和发动机部等多支数百人、实践经验丰富的CAE仿真分析团队，涉及的领域涵盖商用车和乘用车的发动机、底盘、车身和整车等，囊括整车多体动力学分析（平顺性和操纵稳定性仿真、悬架性能、中低频振动、动力性和经济性等）、车身安全和结构分析（碰撞和安全性、车身模态、强度和刚度分析等）、整车及发动机CFD分析（发动机冷却系统、机舱流动分析、气缸内流动燃烧分析、整车空气动力学分析、空调系统分析和气动噪声分析等）和结构分析（缸体、缸盖有限元分析，发动机悬置托架拓扑优化和疲劳耐久性分析等）以及涉及单学科和多学科的优化分析等。
经过多年投入，相关的软、硬件设施得到完善，与产品设计体系、试验验证体系一道，成为产品开发的重要支撑。CAE的重要性、有效性得到广泛认同，形成较为完整并经实践验证可行的一套分析流程和规范。随着产品性能要求的不断提升和新技术、新方法的应用，技术中心CAE专家和部门也在不断对其进行更新和修订，保证CAE技术对设计的指导作用。在长期的分析实践中，积累了大量的CAE分析模型、数据、结果、报告及与相关的试验数据。
技术中心十分强调CAE工程师与设计师、试验工程师的协作，CAE工程师隶属于各个专业科室，除结构分析外，没有专门的计算分析科室，这种组织结构有利于CAE工程师与设计师的交流，有利于对问题的准确理解和定义，也有利于向设计师准确地解释分析结果。
随着业务规模的发展，技术中心CAE应用也体现出不足，主要体现在以下几方面：
(1)知识和数据管理，大量的仿真分析数据存储于个人计算机上，没有统一存储和按项目及数据属性分类归档，难以检索，难以共享和重复利用；仿真分析数据目前的存储和管理方式造成部门之间信息共享困难，部门之间信息和数据沟通效率低；虽积累了大量的各学科分析流程经验，但没有系统地总结和梳理，缺乏标准化、规范化和文档化，难以有效推广利用，仿真分析结果的一致性难以保证；向新员工传授已有仿真分析经验的过程较慢，不利于新员工的快速成长。
(2)项目支撑。对于大的车型或总成研发项目，多个部门人员参与并产生众多分析任务，缺乏对分析任务进展和结果进行监控的方便方式；缺少支持项目经理充分利用CAE工具的环境和平台。
(3)效率和资源。重复工作占用大量人力资源，骨干人员深陷常规分析任务，影响其在新方法、新技术研究方面投入精力，不利于专业长远发展；CAE相关软、硬件资源的应用效率得不到统计评估。
基于上述情况，有必要建立支撑仿真数据及知识管理的IT系统。
1 需求分析与系统设计
1.1 总体目标
若想改变技术中心CAE工作的现状，需建立企业级的CAE数据及知识管理平台。从技术中心的研发特点和现状出发，充分体现和溶人技术中心在长期的CAE实践中取得的成果、经验和规范，形成一个基于成熟CAE系统架构的企业级协同仿真平台，该平台将仿真知识（数据）管理、仿真流程管理及权限和分析任务管理等功能融于一体，建立并不断积累技术中心仿真分析知识库，实现CAE项目质量监控，促进技术中心的CAE应用，从而支持企业的产品研发和创新工作，同时，借鉴国外同行的CAE分析发展成熟的实践经验，快速提高和完善CAE能力以协助自主研发能力的提高。
系统目标：
(1)CAE数据及知识的管理、积累和重用。
(2)项目质量保障，规范CAE活动、有效支持产品开发项目、实现CAE分析的工程价值。
1.2 系统设计思路
技术中心CAE数据及知识管理系统基于SimManager R3.1产品框架实现，该产品框架包括仿真数据和流程管理的基本功能。CAE数据及知识管理系统的功能在该产品框架基础上通过配置和开发实现。这种方式有助于缩短开发时间、降低项目风险，并保证系统运行的稳定性和扩展性。
在系统体系架构设计方面，构建中心级仿真数据及知识管理平台框架+各科室专业仿真流程的设计方式。中心级的仿真数据及知识管理平台框架涵盖系统及各专业通用的功能，如公共数据维护、外部系统接口、数据版本控制及变更、报告自动生成、知识重用和仿真业务流程等，该框架在比较长的时期内保持稳定。各个专业的分析流程随着CAE技术和手段的不断完善逐步扩展和丰富。成熟和规范的专业流程可以通过自动化的方式在系统中使用，提高工作效率；相对不成熟的分析流程可以通过数据的版本控制功能按照存储数据规范将仿真数据保存到平台数据库，不影响数据和知识的积累。中心框架和专业学科见图1。
图1 中心框架和专业学科
1.3 总体方案
CAE数据及知识管理平台功能的总体方案架构见图2。
图2 CAE数据和知识管理平台功能架构
整体功能架构包括中心级CAE管理模块、各专业学科功能模块和外部系统集成接口模块3个部分。
中心级CAE管理模块包括在SimManager产品基础上建立CAE数据及知识管理模块、项目质量监控模块和业务流程管理模块等。SimManager产品包括基础数据管理模块、基础流程管理模块、基础权限管理模块、集成客户端模块和数据库接口模块等，在基础功能模块的基础上通过开发和配置建立中心级CAE数据及知识管理系统的架构，该架构保持稳定性，满足技术中心目前及未来发展的需要。
各专业学科，包括安全学科、多体动力学学科、CFD学科、NVH学科、结构与耐久性学科和工艺仿真学科等都需要使用CAE数据及知识管理系统，并且将来可以向其他学科扩展。其中安全学科、多体动力学学科和CFD学科等有超出中心级模块的需求，需要针对本学科进行功能开发，其他学科的需求由中心级的模块功能涵盖。
外部系统集成接口模块提供外部系统集成接口，包括从信息网提取人员信息（通过中间格式文件），并预留高性能计算系统接口。
CAE数据及知识管理系统支持各种角色从客户端（B/S架构客户端）以自己的权限在系统中进行工作，系统支持技术中心用户异地访问和使用。
1.4 CAE知识管理和重用
CAE数据及知识管理系统实现CAE知识的管理和重用，CAE知识表现在：(1)评价参数；(2)分析报告；(3)分析过程数据，设计模型，网格模型，设计输入条件，分析模型，求解文件，原始结果和关键结果等；(4)分析规范，包括分析流程规范、分析相关材料数据、标准模型和二次开发工具等。
这些CAE知识通过CAE任务模板、自动化流程和分类保存的CAE数据模型等方式实现管理并重用。
1.5 数据库设计
数据库设计决定系统存储数据的规范，是整个系统运行的基础。CAE数据及知识管理系统的数据库设计在SimManager产品已经构建的数据库设计基础之上，通过配置和开发以满足CAE集成平台的业务需要。
面向CAE分析业务的相关数据类型，涉及前处理、求解、后处理和其他分析业务等。在此基础上，CAE集成平台根据平台业务需要增加平台自有的数据类型，其关系见图3，图中箭头表示“继承自”的关系。
图3 CAE数据和知识管理平台数据类型定义
1.6 流程和权限管理
基于SimManager的CAE数据及知识管理系统的流程管理步骤：(1)详细分析和梳理用户流程及调研结果；(2)定义、规划数据模型，定义流程中的数据模型；(3)定义、规划流程动作，定义流程动作的输入、输出；(4)配置数据模型；(5)流程动作相关配置或开发；(6)如果有队列系统，考虑队列系统的集成。
CAE数据及知识管理系统中的用户权限管理是通过基础运行框架SimManager的权限访问系统中角色(Role)、域/项目(Domain/Project)和数据发布级别(Release Level)等来综合实现的，具体为：(1)对数据的权限，包括对数据的读、写、删除、流程执行、数据等级提升、数据等级降低、流程的终止和更改数据所有者等；(2)流程权限，系统根据角色的不同，对流程功能进行分配，包括普通用户流程、审计管理流程、系统管理功能和安全管理功能等。在CAE数据及知识管理系统中，通过角色和数据发布级别等方式，实现对用户的权限控制。例如，项目中包括哪些人员，哪些人员为管理者、哪些为分析项目负责人，一旦具有相应的角色和权限，即可以访问相应的数据，进行相应的操作。
2 系统实施
2.1 系统架构定义
CAE数据及知识管理系统的部署结构见图4。包括：(1)客户端/本地机，用户主要通过浏览器访问CAE数据及知识管理系统网络平台；(2)SimManager网络应用服务器为一台独立的服务器；(3)数据库采用用户目前使用的Oracle数据库系统；(4)文件存储服务器直接mount到SimManager服务器端；(5)SimManager和应用软件的License通过Flexm等方式安装在License服务器上。专业科室的专业工具软件的License平台不做通用管理，但是需要保证在需要软件许可时能够访问对应的License服务器。
图4 部署结构
http方式访问SimManager网络应用服务器，在本地机上应安装有JRE环境；(2)SimManager平台以JDBC方式访问数据库，对数据库的访问为开箱即用功能，只需在数据库中创建数据库实例即可，部署完成即可使用。
2.2 系统数据模型构建
充分利用SimManager产品自带的数据模型，结合技术中心的实际仿真业务需要，对数据模型进行构建。基于简洁实用的原则，构建以下数据模型：
(1)CAE任务模板。一个CAE任务模板代表一个标准的分析类型，在CAE任务模板上附属相关分类属性、仿真数据归档规范、评价参数、应用工具和报告模板等文档。CAE任务模板作为仿真分析工作实施、仿真数据入库保存和创建CAE任务的依据。各专业必须对CAE相关的分析类型进行梳理和归纳，建立标准的CAE任务模板。
(2)项目，与技术中心项目管理系统的项目相一致，对应实际的研发项目。可以在系统中创建或者从项目管理系统中导入。
(3)任务。CAE任务作为在项目中实例化的CAE任务模板，可以作为分配给CAE工程师的最小的工作单元。
(4)方案。即附属于一个任务的分析方案，在一个任务下，设计师可以提交多个轮次多个设计方案作为输入供CAE工程师进行分析，CAE工程师也可以自己创建方案并进行分析。一个方案包括一系列的分析数据，如评价参数、设计模型、网格模型、设计输入条件、分析模型、原始结果、关键结果和分析报告等，这些分析数据依据相应的CAE任务模板的规范保存。
在CAE数据及知识管理系统中，充分考虑仿真数据分类和查看，用户可以从项目、学科和产品节点等视角查看相关仿真数据。
2.3 CAE知识管理和项目质量保障
在CAE知识管理和项目质量保障方面，系统借助以下技术措施和应用来实现需求：(1)CAE仿真数据的分类；(2)项目、学科和产品视角的数据查看；(3)对标历史数据，用于对比当前方案与同类历史方案的同类参数，协助分析任务判断当前方案的优劣，同时帮助分析随着年代的推移，各个参数的变化趋势；(4)评价参数跟踪，用于在一个任务进行过程中，方案的评价参数随着迭代逐步变化的情况；(5)评价参数分类满足情况统计，将所有模板的设计相关的评价参数按照标准分类，评估在一个项目、任务或某产品节点的相关设计和相关评价参数对各个分类的满足情况。
2.4 与其他系统集成
与CAE数据及知识管理平台相关联的系统包括中心信息网、各专业室求解服务器队列系统和项目管理系统等。
CAE数据及知识管理系统的人员信息来自于技术中心OA网，CAE管理系统集成队列系统MSC.Analysis Manager/PBS，实现求解任务的远程提交和监控，系统的项目信息和项目管理系统保持一致，可以导人也可以在系统中直接创建。
3 仿真分析自动化
在系统中集成仿真软件，尤其是CFD模块和安全模块，相关流程紧密结合在系统中，实现仿真过程的自动化，提高效率。
SimManager提供服务器端(SSAE)和客户端(CSAE)两种运行方式封装应用软件，服务器端运行方式应用软件安装在服务器端，用户无交互运行；客户端运行方式应用软件安装在客户端，用户通过浏览器登陆到SimManager服务器，执行相应的流程，SimManager调用相应的应用程序，用户以交互式或自动方式来执行应用程序。
SimManager将工具软件封装在流程中，有两种运行方式：(1)交互式，SimManager将应用软件启动，用户在软件中操作完成相应的任务工作；(2)自动式，SimManager将应用软件启动，根据提供的脚本模板自动完成相应的工作。
3.1 气道CFD分析自动化
为方便在气道设计过程中及时根据气道稳态CFD模拟分析结果指导气道3D模型的设计，同时对气道模拟分析过程规范化，开发嵌入到CAE平台中的气道自动分析流程模块，自动分析过程见图5。
图5 气道自动化分析平台流程
气道的CFD分析模块是由CAD设计师主导，无需CFD工程师参与的紧耦合系统，可以实现气道方案的CFD分析自动化，用户提交CAD模型以及标准化的输入条件并运算，可以获取类似log文件的xml文件，原始分析结果文件包含评价参数的结果信息文件和标准化报告等。
气道自动化CFD分析模块实现从建模到结果处理的气道稳态流动CFD分析全过程自动化，是面向设计师CFD的分析模块，可以使气道设计师及时了解气道内的流场信息，指导结构的改进，实现气道的CFD分析时间减少，缩短整个气道的设计开发周期。
针对气道开发过程中的CFD分析需求，该平台可以进行7种情况的稳态气道流场分析：(1)柴油机进气道分析；(2)汽油机进气道涡流分析；(3)汽油机进气道滚流分析；(4)排气道分析；(5)柴油机进气道加支管分析；(6)汽油机进气道加支管涡流分析；(7)汽油机进气道加支管滚流分析。
3.2 被动安全分析自动化
安全模块开发主要以SimManager和SimXpert为工具，搭建基于web的安全仿真分析流程和数据管理系统，该系统可有效避免重复劳动带来的人工成本和人为的低级错误，规范专业组的工作方法，固化过程及结果数据，提高专业的通过能力及工作质量。
功能模块有：(1)安全仿真规范管理模块；(2)车身自动点焊装配模块；(3)求解、结果后处理和报告过程自动化模块；(4)试验数据归档模块；(5)曲线对比模块。根据功能需求及开发方案设计的系统架构见图6。
图6 安全系统架构
仿真规范管理是对安全仿真分析所涉及的相关技术准备文件、过程文件、接过文件和仿真方法等相关的规范文件进行明确定义及编写，并在系统开发过程中进行固化，指导实际的仿真分析工作，主要包括：(1)材料名称命名规范；(2)截面特性名称命名规范；(3)焊点文件编写规范；(4)车身总成命名规范；(5)所有相关文件的命名规范；(6)各分析模版的计算分析规范；(7)关键结果提取规范；(8)自动化报告生成规范。
4 结束语
仿真数据及知识管理系统构建中心级仿真管理框架，可满足不同级别的不同需求，系统已经上线运行，主要包括：(1)以CAE任务模板为核心的数据和知识管理体系；(2)仿真分析规范的管理体系；(3)以CAE任务为单元的仿真任务管理体系；(4)以方案为基本单元的仿真数据管理体系；(5)设计师和CAE工程师在平台上的协作工作；(6)分析结果与历史数据对标、评价参数跟踪；(7) CAE任务进展情况统计报告；(8)部分自动化CAE分析任务在平台上的驱动。
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本文标题：仿真数据管理平台的需求分析与实施
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