机械系统协同仿真环境中统一仿真模型技术的研究（部分供参考）

机械系统协同仿真环境中统一仿真模型技术的研究 部分供参考 机械系统协同仿真环境中统一仿真模型技术的研究 部分供参考 摘要 在机械产品仿真过程中 各种工程软件的功能模块集成是企业真正实现仿真作业流程化 必需解决的技术问题 本文在对机械系统产品的仿真特点和存在问题分析的基础上 提出了协 同仿真环境的概念 针对机械产品仿真过程的特点和要求 提出了协同仿真环境的系统建模模 型 统一仿真模型 Unified Simulation Model 简称为 USM 并对 USM 定义 组织 视图 转换及运行机制进行了详细论述 关键词 协同仿真 环境 建模模型 USM Research on USM Techniques for Mechanical System Collaborative Simulation Environment Zhang Tao YANG Xiaohui WANG Haiwei Institute for Engineering Design and Simulations Northwestern Polytechnical University Xi an 710072 China ABSTRACT In the simulation process of mechanical product function modules integration of various engineering software is the key technical problems to really realize simulation task flow Based on analyzing mechanical system simulation features and exist problems products the concept of Collaborative Simulation Environment According to the characteristics and requirements of mechanical simulation process Unified Simulation Model USM is proposed and make a detail elaboration on the USM definition organization view transformation and operation mechanism KEYWORDS Collaborative Simulation Environment Modelling model USM 引言 在现代机械系统产品的创新性设计的过程中 为了节省试验成本 提高产品研发效率 进行多 方面的产品性能仿真越来越受到重视 在各种仿真技术及仿真软件蓬勃发展的同时存在着下 列需求 对多种性能仿真分析任务进行仿真流程管理 对专业仿真软件产生的多种数据格式的 海量数据进行仿真数据管理 对机械产品研发过程的多领域复杂仿真进行多人协同管理等 因 此迫切需要建立一种能为仿真分析人员提供高效 简洁 专业的仿真环境 为此作者提出了 一种以流程和数据管理为核心 面向产品研发对象垂直的机械产品仿真解决方案 协同 仿真环境 协同仿真环境 CSE 产品作为 PLM 产品线中的一员 不但可以有效地帮助企业和研究机构摆 脱在 CAE 领域中的困境 还可以实现与 PDM 产品的有机整合 极大地提升企业和研究机构 的产品创新设计能力和效率 CSE 产品是一个 集中 分布 简便 实用 的企业级仿真环境 体现在 集中 集中的仿真流程管理 工具管理 数据管理 报表管理和知识管理 分布 基于 SOA 架构的分布式服务调用模式 支持网格计算和协同仿真 简便 采用参数化建模模式 提供向导式的仿真流程创建及运行环境 实用 针对典型机械部件提供仿真流程模板和计算任务模板 统一仿真模型 USM 在各种仿真环境的研究过程中 首要解决的是仿真系统的模型问题 陈晓波等通过模型映射及 建立 HLA 应用层程序框架等方法 实现将各领域仿真软件开发的模型转换为联邦成员 1 陈 钢等提出利用 COM 技术实现 HLA 对象模型 2 Graham J 等提出了一种自动生成 HLA 对象 模型的生成方法 3 赵岗等利用协同仿真建立复杂系统的多领域仿真模型 可完成耦合系统 的仿真分析 4 这些模型是学科领域间各种分析模型 只是解决了一部分分析模型的接口 而 没有涉及仿真系统的整体模型建模问题 为此本文提出了应用于 CSE 的统一仿真模型 解决 了在仿真环境中的数据 对象 流程的统一问题 USM 定义 USM 即统一仿真模型 是对仿真对象 仿真任务 仿真流程 任务执行者等基本组成元素 按一定的逻辑规则统一组织而成的模型 它可以实现基于仿真对象 仿真任务及仿真流程等 元素的视图自由转换 USM 是协同仿真环境 CSE 中用于确定仿真对象 仿真任务及仿真流 程关系的组织模型 是 CSE 运行时的仿真分析任务及流程处理的标准 它保证了在不同的仿 真过程阶段中模型的统一 USM 的基本元素 USM 是对各种基本元素进行组织而成的模型 这些基本元素包括 仿真对象 仿真任务 包括 仿真分析类型和原子任务 辅助任务 仿真流程 包括主流程和子流程 任务执行者等 其 含义介绍如下 1 仿真对象 根据目前机械系统的仿真现状 仿真类型可分为系统级分析 即多体动力学分析 如多刚体动 力学分析 多柔体动力学分析等 和零件级分析 即结构分析 如静力学分析 动力学分析等 5 6 仿真对象是要进行仿真分析的对象 因此仿真对象包括为产品部件和零件 2 仿真任务 仿真任务是对仿真对象进行的各种产品性能仿真 根据仿真环境中仿真模块不同粒度的设计 原则 把仿真任务分为两类 仿真分析类型和原子任务 仿真分析类型 是对不同的性能仿真任务而划分的各种仿真类型 如多刚体系统动力学分析 静力学分析等 原子任务 原子任务是抽象出来的一个仿真分析各种类型下的子模块 它是对仿真活动进行的 细粒度划分 如 CAD 模型导入 求解 后处理等 3 辅助任务 辅助任务是指为辅助仿真任务进行的各种任务 如生成分析报告等 4 仿真流程 根据仿真任务中的两种类型的划分 将仿真流程分为两级 即主流程和子流程 如图 1 所示 主 流程由各种仿真分析类型和辅助任务类实例化的对象组成 子流程由各种原子任务和辅助任 务类实例化的对象组成 图 1 由主流程和子流程组成的仿真流程 5 任务执行者 复杂机械系统的仿真由多个仿真任务组成 需要多个角色和人员共同参与协同完成 如总师 项目负责人 多名仿真分析师等 因此需要对仿真任务进行人员分配和权限设定 任务执行者 就是对仿真任务具有执行权限的人员 一个 USM 模型具体的生成过程是 把一系列的仿真分析类 原子任务和辅助任务结合仿真 分析对象进行实例化 同时对各中任务赋予相应的运行属性并制定任务执行人 根据实际的仿 真分析过程确定仿真流程 USM 多视图 在 USM 建模或运行环境下 以不同的组织模式显示 USM 构成称之为 USM 视图 USM 视图 包括三种 面向仿真对象视图 面向仿真类型视图和面向仿真流程视图 下面分别介绍三个视 图的具体构造方法 1 面向仿真对象视图 由产品 部件和零件三个层次构成的树形结构 以仿真对象为主载体 把相对应的仿真任务及仿真子任务组织而成的视图 把机械系统按从系统到部件 从部件到 零件的层次逐级分解 采用与机械系统产品结构的 BOM Bill of material 方法 7 类似 部件对 应有其相关的系统仿真任务或结构分析任务 零件对应有其相应的结构分析等任务 图 2 是面 向仿真对象视图的构造树 2 面向仿真类型视图 以仿真分析类型为主线 以每种仿真类型包括的所有仿真对象及仿真 子任务所组织而成的视图 依照前述的机械产品系统仿真类型 即系统级分析和零件级分析两 大类进行分类 系统级分析下包括有分析系统所有的系统级别的分析类型 如多刚体分析 多 柔体分析等 零件级分析包括有分析系统中零件所有的分析类型 如静力学分析 屈曲分析等 在 仿真类型下为其对应的应有全部部件或零件 部件或零件下为相应的仿真子流程任务 图 3 所 示为面向仿真类型视图的构造树 图 2 面向仿真对象视图树 图 3 面向仿真类型视图树 图 4 面向仿真流程视图树 3 面向仿真流程视图 以仿真流程任务为主线 由仿真流程中的任务所对应的仿真对象 仿 真类型 仿真前置条件 转移条件 仿真执行人等任务属性所组织而成的视图 将仿真流程 按仿真分析级别逐级分解 每级的内容对应相应仿真流程级别中的各仿真任务和辅助任务 仿 真任务和辅助任务下对应有各种相关属性 如仿真对象 仿真类型 前置仿真条件 任务转 移条件 任务执行人 任务时间段等 图 4 所示为面向仿真流程视图的构造树 USM 多视图的组织模式 通过定义仿真对象 仿真分析类型 仿真任务 原子任务 仿真子任务等索引号 并建立它 们之间的相互关系 按照关系确定的数学模型 通过索引规则构造出 USM 模型 因而每种 USM 视图具有规则的组织方式 一种模型 三种视图的组织形式可实现面向仿真对象视图 与面向仿真类型视图的自由转换 面向流程视图向面向仿真对象视图和面向仿真类型视图单 向转换 图 5 索引号构造及相互关系 USM 索引定义 定义 1 对象索引 Object Index OI 根据添加对象索引编号由系统动态自动生成 m 表示进行 仿真分析的对象数 包括部件和零件 定义 2 仿真分析类型索引 Analysis Type Index ATI 此索引号由系统确定 固定不变 n 表示 系统内所有的仿真分析类型数 定义 3 仿真分析任务索引 Analysis Job Index AJI 仿真主流程中仿真任务的唯一标识号 由 分析对象和分析类型确定 p 表示仿真主流程中的仿真任务数 定义 4 仿真辅助任务索引 Auxiliary Job Index XJI 仿真辅助任务的唯一标识号 由系统动态 自动生动 q 表示进行仿真分析的辅助任务数 定义 5 仿真子任务索引 SJI Sub Job Index 仿真子流程中分析任务的唯一标识号 由仿真分析 任务 其父 和子分析任务类型确定 o 表示仿真流程中的所有仿真子任务数 索引的类型及相互间的数学关系 由前述的 USM 的各组成部分的索引定义可知 各项索引不是孤立的 它们之间具有一定的关 系 如图 5 所示 索引分为三类 即固定不变的索引 系统动态生成的索引及由其它索引确定 的索引 三类索引分类及其相互之间的数学关系可描述为 固定不变的索引 ATI 系统动态生成的索引 OI XJI 由其它索引确定的索引 AJI SJI AJI OI ATI SJI AJI ATI USM 视图的组织方式 在前述定义的 USM 组成内容的索引基础上 根据不同视图的面向的对象的不同 以一定的索 引规则可以很方便地进行 USM 视图的构造 以下为三种 USM 视图的组织方式 1 面向仿真对象视图 以分析对象索引 OI 为基点进行视图树的构造 通过 OI 索引到与其相 对应的所有的 AJI 并能获取到与之相应的 ATI 通过 AJI 索引到其所对应的所有的 SJI 从而 可以构造出面向分析对象模型视图 2 面向仿真类型视图 以分析类型索引号 ATI 进行视图树的构造 通过 ATI 索引到与其相对 应的所有的 AJI 并能获取到与之相应的 OI 通过 AJI 索引到其所对应的所有的 SJI 从而可以 构造出面向分析类型模型视图 3 面向仿真流程视图 分析任务索引号 AJI 和辅助任务索引号 XJI 进行视图树的构造 把 AJI 和 SJI 可以分解出 ATI 和 OI 再加上 XJI 即可构造出面向仿真流程视图 USM 在悬挂系统上的应用 应用统一仿真模型方法 针对某悬挂系统设计图 6 a b c 所示的 USM 三视图 根据 USM 的视 图转换规则 悬挂系统仿真对象视图 仿真类型视图和仿真流程视图三者之间可以进行转换 a 悬挂系统仿真对象视图 b 悬挂系统仿真类型视图 c 悬挂系统仿真流程视图 图 6 某悬挂系统设计 USM 三视图 USM 的运行机制 协同仿真环境的设计总体架构采用 MVC 模式 是基于服务方式 如 Web Portal 和 Workbench 客户端以 HTTP 协议服务形式通过相应的 Servlet 调用 USM 对象模型 APP 服务器中的 SFM Simulation Flow Management 工作流引擎以 Web Service 方式提供给 USM 对象模型调 用等 以 USM 为核心的协同仿真环境的技术构架如图 6 所示 该技术架构共由七部分组成 Web 浏览器形式访问的 Web Portal Eclipse RCP 客户端形式的 Workbench 由 Servlet 形式 REST Service USM 对象模型 DAO 及 CAO 构成的 Web 服务器 SFM 工作流引擎和 Service Bus 组成的 App 服务器 CSE DB 和 USM DB 组成的 DB 服务器 EDM Engineering Data Management 内容仓库服务器 CAE 服务器 图 6 以 USM 为核心的协同仿真环境技术架构 上述各部分通过 USM 对象操作实现机械产品性能仿真的各种功能 USM 对象模型位于