PLM系统中CAE数据管理关键技术的研究

    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“计算分析驱动设计”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，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，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）。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。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，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一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。

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