1 引言

    隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)加速產(chǎn)品研制生產(chǎn)，縮短研發(fā)周期，降低制造成本的主要手段之一。機(jī)械協(xié)同仿真是隨著仿真技術(shù)及計(jì)算機(jī)并行技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型機(jī)械產(chǎn)品仿真模式，其主要特點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)支持下，由承擔(dān)不同學(xué)科仿真活動(dòng)的多個(gè)成員圍繞同一機(jī)械產(chǎn)品，并行交互進(jìn)行仿真，最終得到產(chǎn)品多方面性能的仿真結(jié)果。

2 仿真數(shù)據(jù)管理

    機(jī)械協(xié)同仿真涉及多學(xué)科領(lǐng)域的共同協(xié)作，分析過(guò)程復(fù)雜繁瑣，分析類型多種多樣，決定了在協(xié)同仿真過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的、形式各異的數(shù)據(jù)。與一般的數(shù)據(jù)相比，仿真數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù)種類繁雜、數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)邏輯復(fù)雜、知識(shí)重用性差等方面的特點(diǎn)。在產(chǎn)品生命周期管理中，企業(yè)和研究所主要采用PDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。PDM系統(tǒng)的核心是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形式來(lái)維護(hù)產(chǎn)品本身構(gòu)成關(guān)系，并圍繞產(chǎn)品本身構(gòu)成關(guān)系組織管理一切與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理主要提供以下三方面功能：(1)維護(hù)產(chǎn)品裝配關(guān)系；(2)將組成產(chǎn)品的所有零部件以及描述零部件的信息（如模型、說(shuō)明書、工藝文件等）聯(lián)系起來(lái)，形成完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，直觀地表述產(chǎn)品所有信息；(3)控制產(chǎn)品信息的版本及相互關(guān)系。某船舶行星齒輪減速器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。行星齒輪減速器主要由差動(dòng)級(jí)、封閉級(jí)、輸入軸、輸出軸、軸承、兩級(jí)間連接件、箱體等組成，差動(dòng)級(jí)和封閉級(jí)中同時(shí)包含太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈、行星架、行星架支架等。行星齒輪減速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹反映了行星齒輪減速器中部件-部件-零件的裝配關(guān)系，同時(shí)每個(gè)樹節(jié)點(diǎn)包含了該零部件的數(shù)據(jù)及版本信息，如圖1所示。由于仿真數(shù)據(jù)邏輯復(fù)雜性以及仿真分析的高度迭代性，直接應(yīng)用PDM系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同仿真數(shù)據(jù)存在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜及大文件檢入/檢出等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外業(yè)界對(duì)此展開了相關(guān)的研究，一些大型企業(yè)、研究所、高校都初步構(gòu)建了仿真數(shù)據(jù)管理的解決方案，如MSC公司的仿真數(shù)據(jù)管理解決方案SimManager，某公司研發(fā)的Altair Data Manager(ADM)解決方案，北京某大學(xué)一些科研人員研究了協(xié)同仿真運(yùn)行管理平臺(tái)，清華大學(xué)熊光楞等研究了基于Web技術(shù)的協(xié)同數(shù)據(jù)管理。但由于產(chǎn)品仿真分析需求的多樣性、仿真工具的學(xué)科性以及協(xié)同仿真平臺(tái)或環(huán)境的側(cè)重點(diǎn)不同等因素，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品仿真數(shù)據(jù)的管理技術(shù)及管理方案的研究，各大商業(yè)軟件生產(chǎn)商及研究機(jī)構(gòu)之間也沒有形成共識(shí)。

    圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

    結(jié)合某船舶行星齒輪減速器仿真過(guò)程，并基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的特點(diǎn)，提出協(xié)同仿真數(shù)據(jù)管理的技術(shù)解決途徑—性能仿真模型（PSM，Performance Simulation Model），分析了協(xié)同仿真數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次關(guān)系以及數(shù)據(jù)邏輯流轉(zhuǎn)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了仿真分析-對(duì)象。數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，描述了仿真結(jié)果之間的復(fù)雜邏輯關(guān)系，解決了仿真數(shù)據(jù)與PDM結(jié)合的問(wèn)題。

3 性能仿真模型

    PSM應(yīng)用于工程仿真部門，是產(chǎn)品協(xié)同仿真中一系列零部件裝配關(guān)系、仿真分析和性能數(shù)據(jù)的集合，主要為企業(yè)和研究所提供產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)管理模型。PSM主要描述兩方面的數(shù)據(jù)關(guān)系：(1)產(chǎn)品的裝配關(guān)系，即由PDM獲得的產(chǎn)品所有零部件的裝配邏輯關(guān)系；(2)仿真數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系，即關(guān)于產(chǎn)品仿真分析中涉及到的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系。

    3.1 PSM的組成

    PSM元素表達(dá)式為：PSM∈{Simulation Object，Simulation Workflow，Simulation LoadCase，Simulation Result，Simulation Report，Performance Report，Report Template}，組織結(jié)構(gòu)UML類圖，如圖2所示。PSM的UML類圖描述了PSM元素的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，是PDM系統(tǒng)中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。除了繼承產(chǎn)品裝配關(guān)系和零件自然屬性關(guān)系外，還定義了零部件的仿真工作流、仿真工況及分析產(chǎn)生的仿真結(jié)果和報(bào)告，描述了零部件及該零部件性能信息之間的關(guān)系。具體的元素定義如下：仿真對(duì)象(Simulation Object，簡(jiǎn)稱SO)：表示需要進(jìn)行仿真分析的機(jī)械產(chǎn)品，可以是產(chǎn)品的裝配體，也可以是產(chǎn)品的某零部件，屬于最小、自包含的組成單元，即—個(gè)仿真對(duì)象可以包含零個(gè)或多個(gè)仿真對(duì)象。PDM將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供給PSM，PSM轉(zhuǎn)化為以仿真對(duì)象表示的形式。仿真工作流(Simulation Workflow，簡(jiǎn)稱SW)：仿真過(guò)程中針對(duì)某個(gè)仿真對(duì)象進(jìn)行的性能仿真分析模板，如多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析等，采用XPDL(XML Process Define Language)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建。仿真工況(Simulation LoadCase，簡(jiǎn)稱SL)：即載荷輪次，機(jī)械產(chǎn)品仿真過(guò)程中隨著仿真參數(shù)（邊界、載荷、材料、網(wǎng)格等）的變化而引起約束條件的差異。仿真結(jié)果(Simulation Result，簡(jiǎn)稱SS)：仿真任務(wù)流在某仿真工況下驅(qū)動(dòng)仿真軟件計(jì)算分析得到的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果包括元數(shù)據(jù)和結(jié)果文件。仿真報(bào)告(Simulation Report，簡(jiǎn)稱SP)：針對(duì)某仿真結(jié)果分析，并按一定的模板(Word、Exeel)而生成的報(bào)告，屬于階段性報(bào)告。性能報(bào)告（Performance Report，簡(jiǎn)稱PR）：針對(duì)某仿真對(duì)象分析而生成的報(bào)告，即對(duì)該仿真對(duì)象所有的仿真結(jié)果進(jìn)行綜合分析，按一定邏輯關(guān)系組合的文檔，反映仿真對(duì)象的整體性能，屬于總結(jié)性報(bào)告。報(bào)告模板（Report Template，簡(jiǎn)稱RT）：為生成相應(yīng)的仿真報(bào)告和性能報(bào)告而設(shè)計(jì)的模板，模板形式有Word、Excel等。

    圖2 PSM的UML類圖

    3.2 PSM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣

    為了使產(chǎn)品仿真分析過(guò)程中各元素之間錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息交換關(guān)系變得簡(jiǎn)單明了，便于仿真人員迅速、直觀地理解整個(gè)產(chǎn)品仿真分析過(guò)程的數(shù)據(jù)流，辨別仿真分析中存在的數(shù)據(jù)耦合迭代關(guān)系，PSM采用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣來(lái)描述元素間的數(shù)據(jù)流關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣（DSM，Data Structure Matrix）是源于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO，Multidisciplinary Design Optimization）中的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣。在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣主要解決設(shè)計(jì)中多學(xué)科耦合關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣同樣以矩陣形式表示PSM元素之間的數(shù)據(jù)耦合及流轉(zhuǎn)關(guān)系，是一種圖形化的數(shù)據(jù)流，如圖3所示。矩形框代表元素；元素的數(shù)據(jù)輸入用垂直線段表示；元素的數(shù)據(jù)輸出用水平線段表示；垂直線段與水平線段交叉處的黑點(diǎn)表示一個(gè)元素的數(shù)據(jù)輸出為另—個(gè)元素的數(shù)據(jù)輸入；通過(guò)黑點(diǎn)連結(jié)的垂直線段與水平線段構(gòu)成—個(gè)數(shù)據(jù)環(huán)。位于矩形框上方的數(shù)據(jù)環(huán)代表數(shù)據(jù)信息的前饋，同理位于矩形框下方的數(shù)據(jù)環(huán)代表數(shù)據(jù)信息的反饋，所有的前饋和反饋組合起來(lái)，形成了包括相應(yīng)元素?cái)?shù)據(jù)的建立、前饋與反饋在內(nèi)的仿真數(shù)據(jù)回路。圖3中的PSM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣描述了PSM元素之間數(shù)據(jù)流的邏輯關(guān)系。在仿真分析過(guò)程中，仿真工作流中的流程實(shí)例化并執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)仿真分析軟件（商用/自編）進(jìn)行計(jì)算。在前處理中，獲取仿真對(duì)象提供的CAE模型文件（非CAE模型需進(jìn)行轉(zhuǎn)換）及相關(guān)的材料屬性等，同時(shí)獲得仿真工況中設(shè)定的仿真參數(shù)（邊界載荷約束、網(wǎng)格劃分等），經(jīng)過(guò)仿真軟件的計(jì)算以及后處理，生成仿真結(jié)果，包括相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變膜態(tài)等結(jié)果文件、圖片以及元數(shù)據(jù)（最大/小應(yīng)力、單元類型及單元數(shù)等）。反過(guò)來(lái)，仿真結(jié)果模擬了仿真對(duì)象的失效形式和原因，作為仿真對(duì)象的反饋數(shù)據(jù)，指導(dǎo)仿真對(duì)象CAD模型的優(yōu)化。

    圖3 PSM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣

4 PSM功能架構(gòu)

    PSM功能架構(gòu)，如圖4所示。分為四層：數(shù)據(jù)層、操作層、服務(wù)層、客戶端。數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)庫(kù)以及文件庫(kù)組成，數(shù)據(jù)庫(kù)主要有材料庫(kù)、結(jié)果庫(kù)、產(chǎn)品配置庫(kù)、報(bào)告庫(kù)等，存儲(chǔ)產(chǎn)品配置信息、材料屬性、創(chuàng)建時(shí)間、創(chuàng)建人等數(shù)據(jù)，文件庫(kù)存放仿真工作流文件、有限元模型文件、結(jié)果文件、動(dòng)畫圖片等數(shù)據(jù)，同時(shí)將文件索引存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。操作層提供PSM數(shù)據(jù)訪問(wèn)的統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)，文件庫(kù)的映射關(guān)系以及相關(guān)的增加、修改、刪除、查詢、編輯等基本操作，提供數(shù)據(jù)的配置管理、版本管理、存儲(chǔ)管理、更改管理、查詢管理等基本功能。服務(wù)層主要把操作層的基本功能采用Web Service和Rest Service技術(shù)封裝成系統(tǒng)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、權(quán)限服務(wù)和報(bào)告服務(wù)，供客戶端調(diào)用。客戶端主要負(fù)責(zé)與用戶的交互，由PSM Portal和Windows應(yīng)用程序組成。

    圖4 PSM功能架構(gòu)圖

5 實(shí)例驗(yàn)證

    PSM在某船舶行星齒輪減速器協(xié)同仿真平臺(tái)中得到了驗(yàn)證，平臺(tái)中的PSM視圖，如圖5所示。船舶行星齒輪減速器由差動(dòng)級(jí)、封閉級(jí)、輸入軸、輸出軸、兩級(jí)間連接件、箱體等組成，差動(dòng)級(jí)主要組成部分為太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈、行星架、行星架支架等，其產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)與PDM系統(tǒng)一致。這些零部件作為仿真對(duì)象結(jié)合相關(guān)的仿真工作流、仿真工況、仿真結(jié)果、仿真報(bào)告以及性能報(bào)告組成了性能模型樹，如圖5所示的左側(cè)樹。點(diǎn)擊樹上某對(duì)象（仿真對(duì)象、仿真工作流、仿真結(jié)果等）節(jié)點(diǎn)，右側(cè)將顯示該節(jié)點(diǎn)信息，如點(diǎn)擊“分析工況一”下的“太陽(yáng)輪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果”節(jié)點(diǎn)，右側(cè)將顯示太陽(yáng)輪強(qiáng)度計(jì)算任務(wù)流在分析工況一中產(chǎn)生的仿真結(jié)果信息，包括：結(jié)果文件、圖片、元數(shù)據(jù)、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時(shí)間、審簽人、版本、描述等。

    圖5 行星齒輪減速器協(xié)同仿真平臺(tái)PSM視圖

6 結(jié)束語(yǔ)

    PSM性能仿真模型是基于PDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，實(shí)現(xiàn)仿真對(duì)象、仿真活動(dòng)、仿真結(jié)果、仿真報(bào)告等產(chǎn)品性能仿真數(shù)據(jù)有效管理的模型。結(jié)果表明：PSM性能仿真模型實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和交互性，解決了仿真元素之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)流關(guān)系以及數(shù)據(jù)管理等問(wèn)題，豐富了PDM在仿真領(lǐng)域方面的擴(kuò)展。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于PDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能仿真模型研究

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