PLM系统中CAE数据管理关健技术的研究

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

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

 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

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

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

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

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