基于SPDM的仿真APP研究与应用

沈 波，陈 双，任 琛，任金虎，张蕊珠

（金航数码科技有限责任公司，北京 100028）

关键字：仿真数据管理；工具集成；仿真知识管理；仿真APP

1 引言

仿真数据管理（SPDM）平台是在线协作式仿真研发平台，可用于管理仿真数据和仿真流程，相关技术可以支撑不同学科仿真分析中的常用流程的功能封装和复用。在传统CAE领域的结构仿真分析中，采用的流程、方法、工具基本一致，例如流程通常分为前处理、求解和后处理，方法一般采用有限元法，工具一般采用Patran/Nastran、ABAQUS软件等。CAE技术的应用极大地提高了机械结构的优化设计能力，但是在仿真过程中逐渐暴露出操作烦琐、知识复用不便等问题，例如重复性地设置载荷、边界条件和重复性交互选择提取数据等，特别是在大量模型或工况需要仿真计算的情况下，会显著增加仿真工程师的工作量，不利于开展创新研究。因此需要对常用的仿真流程进行集成及管理，形成仿真APP以提高仿真分析的效率。

将服务部署在统一环境，通过仿真软件集成的方式进行APP的建设和管理，在CAE领域中已开展了相关研究。GE于2013年推出了Predix平台，开始了依托工业互联网技术进行工业APP开发的预先研究及应用。崔羽飞等阐述了工业互联网云边协同过程中存在的问题，并基于数据协同和模型协同进行实践。董长青等研究了以微服务框架和Docker框架为核心的应用云平台架构，通过集成方式进行了工业APP的部署和使用。侯庆坤等针对汽车行业工业APP云平台建设进行了研究和架构规划。刘苏杰等建立一个涉及四个学科的分布式集成设计平台，并完成了多学科复杂系统的设计、仿真和优化。其他研究者还研究及应用仿真流程集成的相关技术解决了工程问题。但大多数研究侧重IT层面的架构规划，或侧重解决特定仿真问题，还需要提出一条通用性的解决仿真流程与数据管理应用的技术路线，使得设计师在仿真过程中避免面临前述业务问题的困扰。因此，需要在现有研究的基础上总结出常规仿真APP建设的范式。

本文探讨利用仿真数据管理平台的流程封装技术完成结构仿真APP的开发，固化其中需要人工烦琐操作的过程，形成结构仿真APP，通过固化、规范化结构仿真的技术知识，部署在统一的仿真数据管理平台服务端供工程师使用，实现APP的便捷调用和计算资源统一管理，进而提高仿真分析效率。

2 APP建设基本技术流程

结构仿真APP是指基于互联网络，承载结构仿真知识和经验，满足结构仿真用户特定需求的应用软件，即面向工业产品全生命周期业务的需求，将工业产品及结构仿真过程中的知识、最佳实践及技术诀窍封装而成的应用软件。结构仿真APP的依托平台是仿真数据管理(SPDM)平台，适用于多人在线协同工作，可对仿真流程进行集成和管理。如图1所示，SPDM平台采用C/S、B/S架构的软件通过开发的接口进行软件的封装，可以驱动仿真流程的持续运行，其中的计算调度服务器可以实现仿真入口的统一管理，将仿真流程中的不同软件放在不同的机器中，实现计算资源的整合。

图1 基于SPDM的APP云部署IT架构

软件封装将隐性的知识、仿真的经验流程等方法固化在软件中或应用程序中，将成熟的仿真流程封装为模板即为仿真APP，在进行仿真分析时对仿真APP进行实例化来实现仿真分析流程的复用，保证仿真分析流程的规范化，如图2所示。

图2 仿真APP创建及应用流程

仿真APP中的流程主要是构建各个专业及学科的分析流程，规范仿真分析的步骤，确定不同的仿真分析步骤之间的数据传递关系及影响关系，统一仿真分析的工具，共享仿真分析流程所产生的数据；在后端流程中，仿真APP的搭建基于各软件工具的接口及windows命令行等IT基础，依据仿真业务的需求，集成相应的软件工具、脚本，搭建完成仿真流程，设置各软件工具的接口文件、参数的传递关系，并根据各工具的API接口进行集成调用，形成的结果可以自动生成报告；在前端界面，依据用户的需求进行界面化定制，以方便仿真运行时操作以及结果查看。将以上过程封装为具有通用性质的模板，即可称之为仿真APP。

通用的仿真APP的流程内容及描述如图3所示。

图3 仿真APP的流程内容示意图

仿真APP以仿真流程集成为基础，通过文件解析、数据映射、求解调用、结果后处理等方式实现数据流和文件流的传递，通过仿真数据管理实现仿真数据和文档的存储，通过仿真工具集成实现CAE分析的基本功能。

3 结构仿真APP的建设及应用

（1）结构仿真APP的建设

在某结构的随机分析及后处理APP建设中，为了实现结构随机分析与结果后处理，自动获取结果文件，并进行结果曲线绘制的功能。通过规范化使用APP的搭建与封装流程，完成APP的创建，在实例化的用户界面输入变量的类型、加速度转换系数、节点的编号、方向和软件版本等内容，最终获取结果文件中的数据和曲线。

随机分析及后处理APP的后端仿真流程分为两个相对独立的活动，分别是结果提取和结果后处理，结果提取活动用于生成各节点的随机分析结果文件，结果后处理活动用于处理前一步生成的结果文件并绘制后处理结果曲线。随机分析及后处理APP流程中的各基本组件功能详细介绍如图4所示。

图4 随机分析及后处理APP的后端仿真流程

APP中的数据和参数描述如下：

输入参数：定义输出变量的类型、加速度转换系数、输出节点的编号、变量方向和软件版本。在曲线绘制区，输入需要绘制曲线的节点编号、曲线的纵轴标签以及Matlab版本。

输入文件：频响分析模型文件FreResp.bdf、结果文件FreResp.xdb文件和PSD功率谱密度文件。

输出文件：各所选节点的RMS结果文件（.txt格式）、单个节点的随机响应曲线（.png及.fig格式）。

在后端流程创建完成后，搭建前端的用户使用UI页面，定制如图5所示的使用页面，页面中各输入区分别对应了APP中暴露出的各参数。

图5 随机分析及后处理流程模板

用户使用页面的信息如下：

1）基本信息：“名称”为显示该次仿真的名称，“描述”为针对此次仿真的任务描述。

2）输入：“检索频响分析模型文件”、“检索频响分析结果文件”为在界面通过搜索获取频响分析模型文件（.bdf格式）、结果文件（.xdb格式）；“选择输出变量类型”为输出变量的类型，“变量方向”为输出变量的方向；“节点编号”为需要输出结果文件的节点编号，“加速度转换系数”为公制单位和英制单位之间的转换选项，“Patran版本”为对应的Patran软件安装路径；“PSD功率谱密度文件”为上传PSD功率谱密度文件（.md格式）。

3）输出：“节点结果文件RMS值”为输出随机分析及后处理节点的结果文件；“绘制曲线的节点编号”为需要绘制曲线的节点编号，“曲线纵轴标签”为作曲线图时纵轴的标签，“Matlab版本”为Matlab软件的安装路径；“曲线预览”为随机分析曲线的预览图片。

4）运行：可分段运行仿真流程，“生成节点结果文件”为触发自动输出随机分析及后处理结果文件流程运行；“绘制节点曲线”为可触发自动输出随机分析曲线图片流程运行。

（2）结构仿真APP的应用

通过将APP实例化，可以形成新的仿真流程。在基本信息区，可输入或修改显示的APP名称和描述。

在输入区，通过搜索获取频响分析模型文件FreResp.bdf、结果文件FreResp.xdb文件，上传PSD功率谱密度文件。定义输出变量的类型、加速度转换系数、节点编号、变量方向和Patran版本。

在使用仿真流程时，在个人使用端进行操作，上传或在数据库中检索新的模型，在页面上选择不同的输出变量类型、变量方向、节点编号和PSD功率谱密度文件，然后在运行区提交运行，协同服务器将计算指令下发给计算调度服务器，计算调度服务器选择对应的超算或工作站进行求解作业，在求解完成后，将预先定义的关键结果上传到仿真流程中进行统一管理。

在输出区，获取各个节点的RMS文件和随机响应结果曲线，输入不同的节点编号、曲线的纵轴标签以及Matlab的版本，通过“绘制节点曲线”按钮触发后处理执行生成新的曲线，并将关键结果显示在页面中，供使用者查看或下载。输出的曲线和结果文件可下载到本地进行查看或再次加工处理。仿真结果的离线查看如图6所示。

图6 仿真结果的离线查看

以上仿真的操作步骤可以在页面上再次修改设置，进行快速的结果重新生成，对于结果提取的效率有极大地提高。

（3）仿真数据的查看

在计算完成后，除了在用户页面上查看关键仿真结果，也可以在平台中查看详细的仿真数据，其中包括了输入文件、脚本、中间文件及输出文件等。仿真流程的数据存储及查看如图7所示。

图7 仿真流程的数据存储及查看

4 结束语

1）通过随机分析及后处理这一结构仿真APP的建设及界面封装，实现成熟操作流程的便捷化应用，实现了通过APP高效完成随机响应分析及后处理的仿真过程；通过与传统的线下手动处理的设置过程和求解对比，验证了该APP具有应用方便、操作简洁、数据准确度高的特点。

2）基于SPDM的仿真APP不仅可以在结构仿真中进行广泛的推广与应用，其他相关专业和学科的仿真APP技术路线都可以应用于具有类似场景的仿真业务活动中。

3）通过创建仿真APP，借助SPDM的流程集成功能将经验知识、数据、工具整合和固化，不仅避免了由于人员流失造成的知识损失，更重要的是消除了人为因素导致的产品性能验证方法多变、结果变化较大的情况，为企业形成可靠统一的仿真流程积累仿真经验。企业将成熟的仿真流程固化为知识资产，同时也促进知识的学习、共享、复用和创新。