PLM系統中CAE數據管理關鍵技術的研究

    目前，在以產品為導向的制造業中，設計逐步成為提高企業競爭力的關鍵環節，越來越多的企業引入了CAD/CAM/CAE等系統來輔助設計。特別是CAE系統的發展，使企業由“計算分析驗證設計”的舊模式轉變為“計算分析驅動設計”的新模式。CAE軟件已經成為工程師們實現工程和產品創新的得力助手和有效手段。但是，由于CAE模型、分析報告、程序等信息的急劇增多，如何對它們進行有效的管理，保證信息的準確性、一致性和安全性成為CAE系統能否高效發揮作用的關鍵之一。

    目前已有軟件開發商給企業提供了專用的數據管理軟件，但由于解決方案的不同和商業利益等因素，導致該類數據的完整性、一致性和可追溯性難以實現，相關人員無法在統一的平臺上協同工作，而PLM作為一個以產品為核心的商業戰略，包含了完整的產品定義信息，所有的產品數據，軟件和文檔等信息。因此，它是一種企業普遍采用的、有效支撐信息和數據管理的集成平臺，可為CAE數據的管理提供統一的協同集成平臺。

    因此，為了實現PLM與CAE系統之間的集成，保障CAE數據的管理和系統之間的數據交換，從PLM系統中CAE數據的特點出發，分析CAE數據管理的關鍵技術，主要包括CAE數據的組織與管理、共享與受控訪問和過程控制，并研究其相應管理機制。

1 PLM系統中CAE數據的特點

    現行的CAE軟件包含的主要功能模塊有：前處理模塊、有限元分析模塊、后處理模塊、基礎算法模塊、數據管理系統與數據庫模塊、用戶界面模塊。這些軟件可以實現產品的強度分析、振動分析和熱分析等，其典型分析過程為：建立/獲取幾何模型、前處理（網格離散、施加邊界條件、設置求解控制）、求解、后處理（瀏覽結果、生成報告）。鑒于目前PDM中CAE數據管理的現狀和不足，結合當前CAE分析的經驗性過程、數據特點和結果類型，總結出CAE數據的典型特點如下：

    a)CAE分析模型必須與CAD創建的幾何模型保持一致；

    b)CAE數據管理的對象較為復雜，不僅需要管理CAE的結果（如有限元網格文件、求解結果、分析報告），還需要管理CAE的分析過程（如網格的劃分、邊界條件的定義等）；

    c)CAE分析仿真過程中經常產生流數據，其具有連續性、動態性、數據量大等特點，需進行分析才能得到有價值的結果；

    d)CAE數據的類型多，與不同的人員組織、項目、產品、零部件之間的關系復雜，給CAE數據的組織與管理、共享和受控訪問帶來了困難；

    e)缺乏對CAE分析仿真數據進行統一管理的系統，導致數據存放不規范，歷史數據和分析報告難以實現重復使用，導致大量重復計算和分析，且不能保證技術資料的安全性和保密性。

2 PLM系統中CAE數據管理的關鍵技術

    根據PLM系統中CAE數據的特點，得知目前迫切需要解決的問題有：CAE數據的組織與管理、共享與受控訪問和過程控制。通過該問題的解決來確保CAE數據的完整性、一致性和可追溯性。

    2.1 CAE數據的組織與管理機制

    在CAE數據管理中，保證CAD創建的模型和CAE分析的模型的一致性是基本目標，而在PLM系統中，保證數據的可追溯性、良好的擴展性和通用性是重要目標。PLM系統中，各種與產品相關的數據、信息和數據集都通過基于零組件(item)的方式進行組織和管理，可以方便地集成到項目和工作流中，并且可以與產品BOM聯系起來，便于擴展和訪問。由于CAE的分析過程是企業和設計人員的重要經驗性過程，反映了設計人員對問題的處理方法，因此，CAE分析過程的記錄成為PLM系統中CAE數據管理的重點。綜合考慮PLM數據的完整性、一致性、可追溯性和CAE數據中流數據的存在，建立了基于item版本和版次的數據組織與管理機制，如圖1所示。

圖1 基于item版本和版次的數據組織與管理機制

    由圖可知，基于item的數據組織方式，將CAD，CAE等數據集與具體的產品、部件或零件相關聯，保證了數據的完整性和一致性；基于版本的數據組織方式，可以保證在產品、零部件發生變更時對其結果的追溯；基于版次的數據組織方式，則可以對分析過程的關鍵環節進行管理，由有經驗的分析人員確定分析的粒度，可以保證分析過程的可追溯性和過程知識的積累，以便于企業人員的不斷學習。該數據組織與管理機制的優點是既保證了CAE結果數據、過程數據的完整性、一致性和可追溯性，也為下一步的CAE數據的共享與受控訪問提供了方便。

2.2 CAE數據的共享與受控訪問機制

    隨著網絡和信息系統的發展，產品數據的安全性、保密性成為企業關注的重要內容。CAE各類數據具有不同的特性，主要表現為：有限元網格數據與產品CAE模型保持一致，變動較??；求解結果數據較大，且需要進行多次處理、經常改版；分析報告數據量小，變動頻率低；分析過程因存儲粒度的不同，版次存在差異。如果采用傳統的基于item的PLM系統授權方式，在上傳下載CAE數據時就會耗時過長，并發用戶多時也會影響PLM系統的性能，無法滿足時間性的要求。因此，PLM系統中CAE數據的存儲應采用分布式：數據量小、變動頻率低的有限元網格數據和分析報告存儲于PLM系統中；數據量龐大、變動頻繁的求解結果和分析過程則放置于CAE部分的本地文件服務器，以保證數據訪問的效率。分析結束后，所有數據再存儲于PLM系統中，保證PLM系統的運行效率。

    目前，PLM系統中普遍采用面向對象的數據共享與受控訪問機制，可以減輕授權的復雜度，保障產品及其相關信息的安全性。但是，對于CAE數據而言，由于部分數據量比較大，且使用頻率較低，為了保證CAE數據的安全和降低對系統運行效率的影響，在CAE的數據管理中，設置了CAE數據管理員，把CAE各類數據集授權給PLM系統中的企業、組織、角色和人員，以實現如圖2所示的CAE數據共享與受控訪問。

圖2 CAE數據的共享與受控訪問機制

    在這種數據共享與受控訪問機制中，將CAE數據對象分解為有限元網格、求解結果、分析報告、分析過程四類數據集，改變了傳統的CAE數據集統一管理的方式。借助面向對象的授權方式，可以將有限元網格、分析報告這一類數據量小的數據集的讀、寫等權限授予任何企業、組織、角色或人員，實現數據的共享和訪問；將分析過程、求解結果等數據量大的數據結合實際的應用授予相應的人員，減少數據的訪問量，提高PLM系統的運行效率。

    2.3 CAE數據的過程控制機制

    CAE分析是一個復雜的過程，需要在不同部門、角色、人員之間進行數據和信息的單向或多向交流傳遞。從數據控制的觀點來看，這些交流傳遞的過程應加以規范化，并可監控記錄。而PLM系統所提供的工作流機制為數據傳遞的準確性、及時性和有效性提供了平臺。

    CAE分析的詳細過程如圖3所示，主要包括建立/獲取幾何模型、前處理（網格離散、施加邊界條件、設置求解控制）、求解、后處理（瀏覽結果、生成報告）四個主要階段?？紤]到CAE分析在設計過程中的信息反饋作用，需要對分析結果進行評價，因此在PLM系統中，CAE結果的分析與評價必不可少。

圖3 CAE分析過程

    在CAE分析過程的各個階段均有相應的任務參與者或執行者來確定輸入、輸出數據和模型，并使用相應的工具執行具體的操作或活動。因此，在PLM系統中，CAE數據的過程控制需要改變傳統的結果管理模式，根據CAE分析過程中人員參與的不同，可劃分為五個主要階段，并確定相應的輸入/輸出信息，任務執行者，應用工具及任務的反饋和跳轉等，其任務模型如圖4所示。

圖4 任務模型

    a)輸入：任務的輸入是保證任務開始的物質條件，通常包括參數化模型、IGES格式模型或前序任務模型、力學模型等；

    b)輸出：任務的輸出是任務的結果。任務的輸入與輸出構成了每一個基本任務單元與其它任務單元的接口，它們在內容上的一致為實現工作流模型的重復使用提供了保證；

    c)參與者：參與者是組織中以一定的技能要求為前提，能夠完成某項專職工作的組織人員的集合，它與PLM系統的組織結構模型緊密相關；

    d)知識對象：任務的知識對象是執行活動所需要的組織知識資源，主要指PLM系統中的分類管理所包含的各種案例、標準、技術文檔和相關數據等；

    e)約束：任務在執行過程中有一定的約束條件，最主要的約束是對活動的時間、先后次序的要求；

    f)應用工具：任務的具體實現手段，如手動、應用程序和子過程等；

    g)數據訪問權限：通過CAE數據的共享與受控訪問機制的管理來保證CAE數據的安全；

    h)反饋/跳轉：CAE分析是一個不斷完善的過程，需要對設計不斷的進行優化，因此，在任務執行過程中需要向其它任務或工作流程反饋信息或跳轉，以實現設計的優化。

    通過上述PLM系統中基于任務的工作流控制機制，CAE分析數據可以及時、準確地傳遞給相應的人員，并保證過程的有序性，而且在統一任務描述框架下，用戶能更直觀地理解任務之間的供求關系，并對設計優化過程進行監控，保證設計最優。

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