1 引言
随着现代信息化技术的高速发展，计算机仿真技术已经成为制造业加速产品研制生产，缩短研发周期，降低制造成本的主要手段之一。机械协同仿真是随着仿真技术及计算机并行技术的发展而产生的一种新型机械产品仿真模式，其主要特点是在计算机支持下，由承担不同学科仿真活动的多个成员围绕同一机械产品，并行交互进行仿真，最终得到产品多方面性能的仿真结果。
2 仿真数据管理
机械协同仿真涉及多学科领域的共同协作，分析过程复杂繁琐，分析类型多种多样，决定了在协同仿真过程中会产生大量的、形式各异的数据。与一般的数据相比，仿真数据主要有数据种类繁杂、数据量庞大、数据逻辑复杂、知识重用性差等方面的特点。在产品生命周期管理中，企业和研究所主要采用PDM系统进行数据管理。PDM系统的核心是产品结构管理，以产品结构的形式来维护产品本身构成关系，并围绕产品本身构成关系组织管理一切与产品相关的数据。产品结构管理主要提供以下三方面功能：(1)维护产品装配关系；(2)将组成产品的所有零部件以及描述零部件的信息（如模型、说明书、工艺文件等）联系起来，形成完整的产品结构树，直观地表述产品所有信息；(3)控制产品信息的版本及相互关系。某船舶行星齿轮减速器的产品结构示意图，如图1所示。行星齿轮减速器主要由差动级、封闭级、输入轴、输出轴、轴承、两级间连接件、箱体等组成，差动级和封闭级中同时包含太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架、行星架支架等。行星齿轮减速器产品结构树反映了行星齿轮减速器中部件-部件-零件的装配关系，同时每个树节点包含了该零部件的数据及版本信息，如图1所示。由于仿真数据逻辑复杂性以及仿真分析的高度迭代性，直接应用PDM系统进行协同仿真数据存在存储结构复杂及大文件检入/检出等问题。国内外业界对此展开了相关的研究，一些大型企业、研究所、高校都初步构建了仿真数据管理的解决方案，如MSC公司的仿真数据管理解决方案SimManager，某公司研发的Altair Data Manager(ADM)解决方案，北京某大学一些科研人员研究了协同仿真运行管理平台，清华大学熊光楞等研究了基于Web技术的协同数据管理。但由于产品仿真分析需求的多样性、仿真工具的学科性以及协同仿真平台或环境的侧重点不同等因素，对于机械产品仿真数据的管理技术及管理方案的研究，各大商业软件生产商及研究机构之间也没有形成共识。
图1 产品结构示意图
结合某船舶行星齿轮减速器仿真过程，并基于产品结构管理的特点，提出协同仿真数据管理的技术解决途径—性能仿真模型（PSM，Performance Simulation Model），分析了协同仿真数据结构层次关系以及数据逻辑流转关系，实现了仿真分析-对象。数据的统一，描述了仿真结果之间的复杂逻辑关系，解决了仿真数据与PDM结合的问题。
3 性能仿真模型
PSM应用于工程仿真部门，是产品协同仿真中一系列零部件装配关系、仿真分析和性能数据的集合，主要为企业和研究所提供产品性能数据管理模型。PSM主要描述两方面的数据关系：(1)产品的装配关系，即由PDM获得的产品所有零部件的装配逻辑关系；(2)仿真数据的逻辑关系，即关于产品仿真分析中涉及到的数据流转关系。
3.1 PSM的组成
PSM元素表达式为：PSM∈{Simulation Object，Simulation Workflow，Simulation LoadCase，Simulation Result，Simulation Report，Performance Report，Report Template}，组织结构UML类图，如图2所示。PSM的UML类图描述了PSM元素的结构层次关系，是PDM系统中产品结构的扩展。除了继承产品装配关系和零件自然属性关系外，还定义了零部件的仿真工作流、仿真工况及分析产生的仿真结果和报告，描述了零部件及该零部件性能信息之间的关系。具体的元素定义如下：仿真对象(Simulation Object，简称SO)：表示需要进行仿真分析的机械产品，可以是产品的装配体，也可以是产品的某零部件，属于最小、自包含的组成单元，即—个仿真对象可以包含零个或多个仿真对象。PDM将产品结构提供给PSM，PSM转化为以仿真对象表示的形式。仿真工作流(Simulation Workflow，简称SW)：仿真过程中针对某个仿真对象进行的性能仿真分析模板，如多刚体系统动力学分析、静力学分析等，采用XPDL(XML Process Define Language)标准进行构建。仿真工况(Simulation LoadCase，简称SL)：即载荷轮次，机械产品仿真过程中随着仿真参数（边界、载荷、材料、网格等）的变化而引起约束条件的差异。仿真结果(Simulation Result，简称SS)：仿真任务流在某仿真工况下驱动仿真软件计算分析得到的数据，仿真结果包括元数据和结果文件。仿真报告(Simulation Report，简称SP)：针对某仿真结果分析，并按一定的模板(Word、Exeel)而生成的报告，属于阶段性报告。性能报告（Performance Report，简称PR）：针对某仿真对象分析而生成的报告，即对该仿真对象所有的仿真结果进行综合分析，按一定逻辑关系组合的文档，反映仿真对象的整体性能，属于总结性报告。报告模板（Report Template，简称RT）：为生成相应的仿真报告和性能报告而设计的模板，模板形式有Word、Excel等。
图2 PSM的UML类图
3.2 PSM的数据结构矩阵
为了使产品仿真分析过程中各元素之间错综复杂的数据信息交换关系变得简单明了，便于仿真人员迅速、直观地理解整个产品仿真分析过程的数据流，辨别仿真分析中存在的数据耦合迭代关系，PSM采用了数据结构矩阵来描述元素间的数据流关系。数据结构矩阵（DSM，Data Structure Matrix）是源于多学科设计优化（MDO，Multidisciplinary Design Optimization）中的设计结构矩阵。在多学科设计优化过程中，设计结构矩阵主要解决设计中多学科耦合关系。数据结构矩阵同样以矩阵形式表示PSM元素之间的数据耦合及流转关系，是一种图形化的数据流，如图3所示。矩形框代表元素；元素的数据输入用垂直线段表示；元素的数据输出用水平线段表示；垂直线段与水平线段交叉处的黑点表示一个元素的数据输出为另—个元素的数据输入；通过黑点连结的垂直线段与水平线段构成—个数据环。位于矩形框上方的数据环代表数据信息的前馈，同理位于矩形框下方的数据环代表数据信息的反馈，所有的前馈和反馈组合起来，形成了包括相应元素数据的建立、前馈与反馈在内的仿真数据回路。图3中的PSM数据结构矩阵描述了PSM元素之间数据流的逻辑关系。在仿真分析过程中，仿真工作流中的流程实例化并执行，驱动仿真分析软件（商用/自编）进行计算。在前处理中，获取仿真对象提供的CAE模型文件（非CAE模型需进行转换）及相关的材料属性等，同时获得仿真工况中设定的仿真参数（边界载荷约束、网格划分等），经过仿真软件的计算以及后处理，生成仿真结果，包括相关的应力应变膜态等结果文件、图片以及元数据（最大/小应力、单元类型及单元数等）。反过来，仿真结果模拟了仿真对象的失效形式和原因，作为仿真对象的反馈数据，指导仿真对象CAD模型的优化。
图3 PSM数据结构矩阵
4 PSM功能架构
PSM功能架构，如图4所示。分为四层：数据层、操作层、服务层、客户端。数据层由数据库以及文件库组成，数据库主要有材料库、结果库、产品配置库、报告库等，存储产品配置信息、材料属性、创建时间、创建人等数据，文件库存放仿真工作流文件、有限元模型文件、结果文件、动画图片等数据，同时将文件索引存入数据库中。操作层提供PSM数据访问的统一接口，实现与数据库，文件库的映射关系以及相关的增加、修改、删除、查询、编辑等基本操作，提供数据的配置管理、版本管理、存储管理、更改管理、查询管理等基本功能。服务层主要把操作层的基本功能采用Web Service和Rest Service技术封装成系统服务、数据服务、权限服务和报告服务，供客户端调用。客户端主要负责与用户的交互，由PSM Portal和Windows应用程序组成。
图4 PSM功能架构图
5 实例验证
PSM在某船舶行星齿轮减速器协同仿真平台中得到了验证，平台中的PSM视图，如图5所示。船舶行星齿轮减速器由差动级、封闭级、输入轴、输出轴、两级间连接件、箱体等组成，差动级主要组成部分为太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架、行星架支架等，其产品装配结构与PDM系统一致。这些零部件作为仿真对象结合相关的仿真工作流、仿真工况、仿真结果、仿真报告以及性能报告组成了性能模型树，如图5所示的左侧树。点击树上某对象（仿真对象、仿真工作流、仿真结果等）节点，右侧将显示该节点信息，如点击“分析工况一”下的“太阳轮强度计算结果”节点，右侧将显示太阳轮强度计算任务流在分析工况一中产生的仿真结果信息，包括：结果文件、图片、元数据、创建人、创建时间、审签人、版本、描述等。
图5 行星齿轮减速器协同仿真平台PSM视图
6 结束语
PSM性能仿真模型是基于PDM产品结构管理，实现仿真对象、仿真活动、仿真结果、仿真报告等产品性能仿真数据有效管理的模型。结果表明：PSM性能仿真模型实现了设计数据与仿真数据的关联性和交互性，解决了仿真元素之间复杂的数据流关系以及数据管理等问题，丰富了PDM在仿真领域方面的扩展。
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本文标题：基于PDM产品结构的机械性能仿真模型研究
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