仿真學科種類繁多，而且各學科之間無可替代。但各學科所分析的產品對象是同一個，他們之間必然具有關聯。事實上，在產品定型過程中，不同設計參數會對不同學科的性能有不同影響，往往這種影響之間是沖突的，必須權衡折衷解決。因此，多學科集成仿真和優化成為一項重要的工作。多學科仿真與優化人員需要對仿真工具進行封裝以方便相互集成。這種工作往往需要一個專業化的環境來進行。本期為大家介紹仿真集成模式范式化。

 

在協同設計模式中，多工具流和工具內的技術流可以幫助設計人員高效高質量地完成工作。仿真集成模式的范式化主要以工具流和技術流為抓手，將在多個產品或過程中成功應用的工具間以及工具內的應用過程歸一化、普適化和標準化，將多學科工作過程封裝成過程模板，把軟件內的應用過程封裝成組件。其他范式直接調用工具集成范式，可以降低軟件的使用難度，提高使用效率及使用的正確性。以上這些過程主要以仿真過程為多，所以本節稱為“仿真集成模式范式化”。

 

仿真學科種類繁多，而且各學科之間無可替代。但各學科所分析的產品對象是同一個，他們之間必然具有關聯。事實上，在產品定型過程中，不同設計參數會對不同學科的性能有不同影響，往往這種影響之間是沖突的，必須權衡折衷解決。因此，多學科集成仿真和優化成為一項重要的工作。

 

多學科仿真與優化人員需要對仿真工具進行封裝以方便相互集成。這種工作往往需要一個專業化的環境來進行。這個環境包括工具封裝、多學科流程集成、專業界面定制等功能。

 

1.工具應用范式封裝為模板（組件）

 

仿真軟件的使用門檻高，過程復雜，解決問題的難度高。資深人員的知識可以通過對特定問題在仿真軟件求解的操作過程體現出來，其中反映出軟件選擇、計算方法、材料選擇、模型處理、邊界條件、載荷等效、計算控制、結果處理及評價、試驗標定等方面的經驗。如果將本過程固化并封裝，將是企業非常寶貴的財富。可以對一系列特定問題的仿真計算方法經過歸一、抽象和總結，形成具有普適意義的指南，便是仿真應用范式。

 

仿真組件是將仿真應用范式通過封裝軟件形成即插即用的、具有特定和單一任務的“仿真機器人”。其中每一個步驟中會應用到指南中確定的仿真經驗、仿真算法、關鍵步驟和參考數據。如圖1所示為某機車車輛轉向架的多工況組合計算的組件實例。

 

圖1 某車輛轉向架多工況組合計算組件實例

 

通過軟件調用接口、參數解析和封裝工具，對企業研發過程之中使用的各類仿真軟件進行應用范式封裝，可對單個工具的應用方式進行標準化改造，從而實現“前端參數化設置、后端自動化運行”的應用模式。封裝過程主要包括：輸入文件參數解析、軟件驅動方式設計和輸出文件參數解析等。

 

2.多學科仿真流程建模

 

仿真工具封裝還是過程集成的基礎。針對已有的各種工具、算法、設計分析過程的封裝，形成專業化的應用組件后發布到組件服務器中，用于后續在過程集成模塊中搭建各類過程模型，或被計算節點調用執行。

 

多學科集成環境可通過拖拉的方式建立多學科協同仿真過程流程/模板，如圖2所示。依次把需要的組件從平臺客戶端拖拽到分析視圖中，并通過定義各個實例化組件變量（參數和文件）之間的關聯關系，建立自動化分析過程。多學科集成仿真過程模型支持順序、并行、嵌套、循環、條件分支等多種控制模式。此環境在工具封裝與集成基礎上，通過可視化編輯環境實現仿真流程設計、模板定制、參數提取、數據關聯等。

 

圖2 多學科協同設計仿真過程流程/模板定制及參數提取和關聯

 

仿真集成環境提供數據鏈接編輯器，針對工具組件對應的輸入輸出文件進行解析，以及關鍵參數的定義與提取，并通過拖拉的方式建立各工具組件之間的數據傳遞關系，從而建立各個仿真分析變量之間的關聯關系，形成起仿真分析任務的多學科集成過程模型。組裝好的多學科集成過程模型可提交給運行環境，以自動化方式完成仿真任務。

 

多學科仿真過程運行環境能夠訪問分析服務器上所有可用的服務，能把模板庫中的組件自動部署到分析服務器中，并自動驅動多個組件按分析流程依次運行，使仿真數據自動地從一個組件傳遞到另一個。

 

3.專業界面定制環境

 

工具應用范式封裝或仿真流程范式封裝后，需要一個人機交互界面以幫助范式的應用。根據各專業業務需求，利用控件可以快速實現專業系統界面的免編程定制，還可以將相應的工程研制經驗、質量控制要求等嵌入界面，如圖3所示。

 

圖3 專業界面的免編程定制

 

// 案例應用——航天某所協同仿真平臺//

 

某所是我國航天運載火箭總體設計單位之一，同時也是航天載人飛船、探月工程的技術抓總研制單位。近年來，隨著我國航天事業的快速發展，其承擔的型號發射任務越來越重，并且質量控制要求越來越嚴，傳統的試驗驗證方式已不能滿足日益緊迫的研發任務需求，為此，該所引進了大量的設計仿真工具軟件，在一定程度上提升了產品研發效率，但隨著仿真應用的深入，問題也隨之而來，主要表現為：

 

設計仿真工具眾多、據統計，僅其總體、結構、氣動等幾個主要部門使用的設計仿真工具軟件及自研程序與算法將近200余個；

 

各工具大都處于分散應用狀態，在仿真過程之中，需要研發人員進行大量的手工數據處理及數據傳遞工作，多工具之間多輪迭代協同效率不高；

 

多部門多人員之間主要依靠傳統的任務協同單方式進行專業間協同，管理人員難以及時了解協同仿真工作進展；

 

協同設計仿真數據處于分散管理狀態，多部門多專業多人員數據協同困難，并且經常在協同設計仿真過程之中造成數據引用錯誤，容易埋下質量隱患；

 

基于以上問題，該所提出了協同設計仿真平臺建設需求，擬通過信息化手段實現對上述關鍵問題的解決，最終實現多部門、多專業、多人員、多工具之間的協同設計仿真。

 

基于以上需求，我們給出的解決方案如下：

 

圖4 某所協同仿真解決方案

 

經過系統實施，目前取得了以下建設成果：

 

l  規范了XX所型號研發協同設計仿真工作流程，明確了各小組、各人員主要工作職責及相互協作關系；

 

l  實現了型號項目總師及科室主任對對協同設計仿真過程的整體可視化管理；

 

l  實現了XX所將近200多個自研程序算法的封裝固化以及幾十余個標準研發過程流程模板的定制，促進了研發知識的重用與傳承；

 

l  通過專業間數據輸入輸出模板定制，數據前處理時間有原來的0.5天或者更長縮短至分鐘級；

 

l  通過多工具集成，多學科協同仿真工作效率平均提升60%以上，并且結合研發過程數據管理，每次計算過程與結果均可有效追溯；

 

l  通過仿真報告模板定制，大大簡化了仿真報告編制時間，由原來的1-2天縮短至1-2小時。