PLM系统中CAE数据管理关健技术的研究

作者: 刘震宇 谭业发 谭华 尤峻 庄铁栓
2009/4/15 9:52:14
本文关键字: PLM CAE

引言

目前,在以产品为导向的制造业中,设计逐步成为提高企业竞争力的关键环节,越来越多的企业引入了CAD/CAM/CAE等系统来辅助设计。特别是CAE系统的发展,使企业由“计算分析验证设计”的旧模式转变为“计算分析驭动设计”的新模式。CAE软件已经成为工程师们实现工程和产品创新的得力助手和有效手段。但是,由于CAE模型、分析报告、程序等信息的急剧增多,如何对它们进行有效的管理,保证信息的准确性、一致性和安全性成为CAE系统能否高效发挥作用的关键之一。

目前已有软件开发商给企业提供了专用的数据管理软件,但由于解决方案的不同和商业利益等因素,导致该类数据的完整性一致性和可追溯性难以实现,相关人员无法在统一的平台上协同工作,而PLM作为一个以产品为核心的商业战略,包含了完整的产品定义信息,所有的产品数据,软件和文档等信息。因此,它是一种企业普遍采用的、有效支撑信息和数据管理的集成平台[1],可为CAE数据的管理提供统一的协同集成平台。

因此,为了实现PLM与CAE系统之间的集成,保障CAE数据的管理和系统之间的数据交换,从PLM系统中CAE数据的特点出发,分析CAE数据管理的关键技术,主要包括CAE数据的组织与管理、共享与受控访问和过程控制,并研究其相应管理机制。

1、PLM系统中CAE数据的特点

现行的CAE软件包含的主要功能模块有:前处理模块、有限元分析模块、后处理模块、基础算法模块、数据管理系统与数据库模块、用户界面模块。这些软件可以实现产品的强度分析、振动分析和热分析等[2],其典型分析过程为:建立/获取几何模型、前处理(网格离散、施加边界条件、设置求解控制)、求解、后处理(浏览结果、生成报告)[3]。鉴于目前PDM中CAE数据管理的现状和不足,结合当前CAE分析的经验性过程、数据特点和结果类型,总结出CAE数据的典型特点如下:

a) CAE分析模型必须与CAD创建的几何模型保持一致;

b) CAE数据管理的对象较为复杂,不仅需要管理CAE的结果(如有限元网格文件、求解结果、分析报告),还需要管理CAE的分析过程(如网格的划分、边界条件的定义等);

c)CAE分析仿真过程中经常产生流数据,其具有连续性、动态性、数据量大等特点,需进行分析才能得到有价值的结果;

d) CAE数据的类型多,与不同的人员组织、项目、产品、零部件之间的关系复杂,给CAE数据的组织与管理、共享和受控访问带来了困难;

e)缺乏对CAE分析仿真数据进行统一管理的系统,导致数据存放不规范,历史数据和分析报告难以实现重复使用,导致大量重复计算和分析,且不能保证技术资料的安全性和保密性。

2、PLM系统中CAE数据管理的关键技术

根据PLM系统中CAE数据的特点,得知目前迫切需要解决的问题有:CAE数据的组织与管理、共享与受控访问和过程控制。通过该问题的解决来确保CAE数据的完整性、一致性和可追溯性。

2.1 CAE数据的组织与管理机制

在CAE数据管理中,保证CAD创建的模型和CAE分析的模型的一致性是基本目标,而在PLM系统中,保证数据的可追溯性、良好的扩展性和通用性是重要目标。PLM系统中,各种与产品相关的数据、信息和数据集都通过基于零组件(item)的方式进行组织和管理,可以方便地集成到项目和工作流中,并且可以与产品BOM联系起来,便于扩展和访问。由于CAE的分析过程是企业和设计人员的重要经验性过程,反映了设计人员对问题的处理方法,因此,CAE分析过程的记录成为PLM系统中CAE数据管理的重点。综合考虑PLM数据的完整性、一致性、可追溯性和CAE数据中流数据的存在,建立了基于item版本和版次的数据组织与管理机制,如图1所示。

图1 基于item版本和版次的数据组织与管理机制

图1 基于item版本和版次的数据组织与管理机制

由图可知,基于item的数据组织方式,将CAD,CAE等数据集与具体的产品、部件或零件相关联,保证了数据的完整性和一致性;基于版本的数据组织方式,可以保证在产品、零部件发生变更时对其结果的追溯;基于版次的数据组织方式,则可以对分析过程的关键环节进行管理,由有经验的分析人员确定分析的粒度,可以保证分析过程的可追溯性和过程知识的积累,以便于企业人员的不断学习。该数据组织与管理机制的优点是既保证了CAE结果数据、过程数据的完整性、一致性和可追溯性,也为下一步的CAE数据的共享与受控访问提供了方便。

2.2 CAE数据的共享与受控访问机制

随着网络和信息系统的发展,产品数据的安全性、保密性成为企业关注的重要内容。CAE各类数据具有不同的特性,主要表现为:有限元网格数据与产品CAE模型保持一致,变动较小;求解结果数据较大,且需要进行多次处理、经常改版;分析报告数据量小,变动频率低;分析过程因存储粒度的不同,版次存在差异。如果采用传统的基于item的PLM系统授权方式,在上传下载CAE数据时就会耗时过长,并发用户多时也会影响PLM系统的性能,无法满足时间性的要求[4]。因此,PLM系统中CAE数据的存储应采用分布式:数据量小、变动频率低的有限元网格数据和分析报告存储于PLM系统中;数据量庞大、变动频繁的求解结果和分析过程则放置于CAE部分的本地文件服务器,以保证数据访问的效率。分析结束后,所有数据再存储于PLM系统中,保证PLM系统的运行效率。

目前,PLM系统中普遍采用面向对象的数据共享与受控访问机制,可以减轻授权的复杂度,保障产品及其相关信息的安全性。但是,对于CAE数据而言,由于部分数据量比较大,且使用频率较低,为了保证CAE数据的安全和降低对系统运行效率的影响,在cAE的数据管理中,设置了CAE数据管理员,把CAE各类数据集授权给PLM系统中的企业、组织、角色和人员,以实现如图2所示的CAE数据共享与受控访问。

图2 CAE数据的共享与受控访问机制

图2 CAE数据的共享与受控访问机制

在这种数据共享与受控访问机制中,将CAE数据对象分解为有限元网格、求解结果、分析报告、分析过程四类数据集,改变了传统的cAE数据集统一管理的方式。借助面向对象的授权方式,可以将有限元网格、分析报告这一类数据量小的数据集的读、写等权限授予任何企业、组织、角色或人员,实现数据的共享和访问;将分析过程、求解结果等数据量大的数据结合实际的应用授予相应的人员,减少数据的访问量,提高PLM系统的运行效率。

2.3 CAE数据的过程控制机制

CAE分析是一个复杂的过程,需要在不同部门、角色、人员之间进行数据和信息的单向或多向交流传递。从数据控制的观点来看,这些交流传递的过程应加以规范化,并可监控记录。而PLM系统所提供的工作流机制为数据传递的准确性、及时性和有效性提供了平台。

CAE分析的详细过程如图3所示[5],主要包括建立/获取几何模型、前处理(网格离散、施加边界条件、设置求解控制)、求解、后处理(浏览结果、生成报告)四个主要阶段。考虑到CAE分析在设计过程中的信息反馈作用,需要对分析结果进行评价,因此在PLM系统中,CAE结果的分析与评价必不可少。

图3 CAE分析过程

图3 CAE分析过程

在CAE分析过程的各个阶段均有相应的任务参与者或执行者来确定输入、输出数据和模型,并使用相应的工具执行具体的操作或活动。因此,在PLM系统中,CAE数据的过程控制需要改变传统的结果管理模式,根据CAE分析过程中人员参与的不同,可划分为五个主要阶段,并确定相应的输入/输出信息,任务执行者,应用工具及任务的反馈和跳转等,其任务模型如图4所示。

图4 任务模型

图4 任务模型

a)输入:任务的输入是保证任务开始的物质条件,通常包括参数化模型、IGES格式模型或前序任务模型、力学模型等;

b)输出:任务的输出是任务的结果。任务的输入与输出构成了每—个基本任务单元与其它任务单元的接口,它们在内容上的一致为实现工作流模型的重复使用提供了保证;

C)参与者:参与者是组织中以一定的技能要求为前提,能够完成某项专职工作的组织人员的集合,它与PLM系统的组织结构模型紧密相关;

d)知识对象:任务的知识对象是执行活动所需要的组织知识资源,主要指PLM系统中的分类管理所包含的各种案例、标准、技术文档和相关数据等;

e)约束:任务在执行过程中有一定的约束条件,最主要的约束是对活动的时间、先后次序的要求;

f)应用工具:任务的具体实现手段,如手动、应用程序和子过程等;

g)数据访问权限:通过CAE数据的共享与受控访问机制的管理来保证CAE数据的安全;

h)反馈/跳转:CAE分析是一个不断完善的过程,需要对设计不断的进行优化,因此,在任务执行过程中需要向其它任务或工作流程反馈信息或跳转,以实现设计的优化。

通过上述PLM系统中基于任务的工作流控制机制。CAE分析数据可以及时、准确地传递给相应的人员,并保证过程的有序性,而且在统一任务描述框架下,用户能更直观地理解任务之间的供求关系,并对设计优化过程进行监控,保证设计最优。

3、PLM与CAE系统的集成

PLM系统中CAE数据的管理必将涉及到PLM与CAE系统的集成问题,其集成关系从低到高可以分为三个层次:应用封装、接口交换和紧密集成[7,8]。应用封装主要是指在系统内部激活系统,属于功能上的集成;接口交换主要通过中间接口实现两个系统之间的信息共享,但仍然存在信息一致性的问题;紧密集成可以实现系统间信息的共享和一致性,甚至能够达到信息互动。

作为企业集成平台的PLM系统,不仅要实现应用封装,还必须能够提供标准的、可扩展的集成框架。因此,PLM系统与CAE系统的集成需采用WebService服务,并开放与相关系统的接口,从而实现与相关系统(如CAD/CAM/CAE/ERP等)的紧密集成(图5)。通过结合各系统的开发接口和系统提供的API函数,在各系统内部开发了基于PLM系统的客户端程序。因此,各异构系统能直接访问系统内部存储的数据并提取信息,将新的信息自动反映在PLM系统内,以实现信息互动和异构系统的集成。

图5 PLM系统的集成框架

图5 PLM系统的集成框架

4、结束语

CAE分析仿真是企业设计优化、产品改进的重要环节,而基于PLM系统的CAE数据管理则为设计的优化和产品的改进提供了数据组织、共享、过程控制的重要工具。通过对PLM系统中CAE数据管理的三项关键技术的研究,保证了CAE数据管理的安全性、一致性和可追溯性,方便了CAE部门与其他部门之间的信息传递和交流,为实现部门间的协同和并行工作建立了数据通道。随着三维CAD的推广和CAE分析仿真的普及,CAE数据的管理技术必将具有广阔的前景。

参考文献

[1] 赵敏.PLM与企业信息化[J].中国制造业信息化,2003(8):50-51.
[2] 周万民.CAE系统及其新发展[J].信息技术,2001(10):59-60.
[3] 田彩军.CAE与PDM的连接[J].CAD/CAM与制造业信息化,2002(8):46-47.
[4] 陈默,喻道远,张国军.PDM系统中CAE数据管理的关键技术研究与实现[J].计算机应用研究,2006(9):163-165.
[5] 倪晓字,刘英.协同CAE系统及其实现方法[J].机械工程学报,2006.42(8):71-77.
[6] 岳昆,骆建彬,王小明,等.知识集成的工作流系统框架研究[J],机械设计与制造工程,2001,30(3):80-82,
[7] 董建华,孙伟,刘晓冰,等.CAD/PDM信息集成研究[J].机械科学与技术,2001,20(2):288-290.
[8] 张日晖,宗子安,许第洪.CAD与PDM集成技术的研究[J].CAD/CAM与制造业信息化,2003(11):63-66.

来源:万方数据

责编:张赛静
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