雷靜 金俊玲 彭名剛 徐匯

摘要：仿真管理通用平臺設(shè)計方法是根據(jù)船舶設(shè)計仿真特點，在梳理現(xiàn)有各設(shè)計階段流程的基礎(chǔ)上，基于Ansys WorkBench，通過集成各類仿真軟件工具，研制適用于船舶方案設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段的仿真管理平臺，用于導(dǎo)通船舶設(shè)計各階段仿真軟件之間的數(shù)據(jù)流，并實現(xiàn)設(shè)計全過程仿真數(shù)據(jù)管理。

關(guān)鍵詞：船舶設(shè)計；仿真管理；通用平臺

中圖分類號：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0169-03

1 引言

船舶設(shè)計包含總體、結(jié)構(gòu)、流體、電磁等多專業(yè)，船舶設(shè)計仿真作為設(shè)計的重要支撐手段，主要用于解決多型船舶研制在方案設(shè)計階段、技術(shù)設(shè)計階段等階段的專業(yè)性能估算和優(yōu)化設(shè)計任務(wù)。目前船舶設(shè)計使用的仿真軟件種類繁多，如ANSYS、PATRAN、NASTRAN、SYSNOISE、VA.ONE，Abaqus、HFSS等商用CAE軟件，及各類自研軟件。盡管仿真軟件種類繁多，但在各專業(yè)在設(shè)計過程的流程化和數(shù)據(jù)管理方面又有共性。

本文提出一種適用于多專業(yè)的基于Workbench的仿真管理通用平臺設(shè)計方法，用于解決通用CAE軟件離散應(yīng)用，聯(lián)通各個工作環(huán)節(jié)，加強設(shè)計過程中人員溝通協(xié)同，提高設(shè)計效率低，縮短研發(fā)周期，促進(jìn)自主設(shè)計和創(chuàng)新能力的提高。

2 船舶設(shè)計仿真特點

船舶設(shè)計仿真一般應(yīng)用在各專業(yè)的方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計兩個階段，在仿真過程中需要進(jìn)行大量的模型調(diào)整、網(wǎng)格調(diào)整、邊界條件選取及求解設(shè)置等工作，此外在方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計過程中，每個階段都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，各項設(shè)計和仿真工作之間存在各種數(shù)據(jù)傳遞。

現(xiàn)有各專業(yè)仿真設(shè)計過程中，仿真工具軟件各自獨立，數(shù)據(jù)銜接主要依賴人工完成，無法滿足不同軟件間的數(shù)據(jù)自動傳遞需求。

因此需要對設(shè)計流程進(jìn)行梳理，對設(shè)計工具進(jìn)行靈活集成，對設(shè)計仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行集中、統(tǒng)一管理，滿足數(shù)據(jù)的共享、管理和使用等應(yīng)用需要，以減輕設(shè)計人員數(shù)據(jù)處理的工作量，提高設(shè)計分析工作的效率、精確度和可靠性。

2.1 方案設(shè)計階段

方案設(shè)計階段是對船舶各專業(yè)參數(shù)估算和性能評估的過程，主要工作是根據(jù)母型船各專業(yè)能參數(shù)和各設(shè)備性能參數(shù)，依據(jù)提出的性能要求，建立初步模型，針對初步模型進(jìn)行各種專業(yè)性能估算。

該過程除通用CAE軟件外，實際仿真設(shè)計工作中還存在自研程序繁多，應(yīng)用方式、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問題。

2.2 詳細(xì)設(shè)計階段

詳細(xì)設(shè)計階段是各專業(yè)性能詳細(xì)計算過程，主要基于船舶結(jié)構(gòu)模型和專業(yè)性能預(yù)報庫建立仿真模型，從材料庫中提取材料信息，對建立的模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分；從船舶各專業(yè)性能庫、激勵庫中提取相關(guān)信息，作為邊界條件施加在建立的有限元模型上；應(yīng)用Ansys/Patran等商用軟件進(jìn)行有限元求解；提取Ansys/Patran有限元數(shù)據(jù)導(dǎo)入Sysnoise、FLUENT等軟件中，實現(xiàn)專業(yè)性能精確分析。

詳細(xì)設(shè)計完成后，獲得各類詳細(xì)專業(yè)性能指標(biāo)，與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，最終生成專業(yè)性能分析報告。

3 通用仿真管理平臺設(shè)計

針對船舶各專業(yè)設(shè)計業(yè)務(wù)在方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段的仿真應(yīng)用需求，為提高專業(yè)數(shù)字化研發(fā)的效率和能力，支持實現(xiàn)船舶各專業(yè)仿真設(shè)計研發(fā)過程的協(xié)同工作，本文提出一種基于Ansys Workbench的通用仿真管理平臺設(shè)計方法[1]。具體包括：

（1）通用仿真平臺架構(gòu)。

（2）系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境。開發(fā)環(huán)境包括：各類設(shè)計工具集成方法仿真過程數(shù)據(jù)管理等。

（3）工具軟件集成方法。本單位在此基礎(chǔ)上定制開發(fā)了船舶聲學(xué)仿真設(shè)計管理平臺，投入實際工程應(yīng)用[2]。

3.1 平臺架構(gòu)

仿真管理通用平臺架構(gòu)如圖1所示，包含以下內(nèi)容：

（1）基礎(chǔ)支撐環(huán)境。以ANSYS Workbench的開放式開發(fā)框架和ANSYS EKM作為船舶各專業(yè)仿真設(shè)計管理平臺的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

（2）專業(yè)應(yīng)用環(huán)境。通過配置集成各類專業(yè)仿真工具，實現(xiàn)船舶各專業(yè)方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計應(yīng)用流程的規(guī)范化和可視化。

（3）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)人員仿真協(xié)同過程中的數(shù)據(jù)區(qū)管理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹管理、數(shù)據(jù)對象操作、數(shù)據(jù)版本管理、專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、個人數(shù)據(jù)管理、公共數(shù)據(jù)管理、專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、符合信息系統(tǒng)保密測評要求的數(shù)據(jù)文件加密存儲管理、三員管理、文件管理等。

（4）與外部系統(tǒng)接口。實現(xiàn)船舶各專業(yè)仿真管理平臺與外部CAE軟件接口、自研程序之間的應(yīng)用集成、平臺門戶及安全管理、與高性能計算平臺調(diào)度軟件集成的接口。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

3.2.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境

通用仿真設(shè)計管理平臺采用ANSYS Workbench作為系統(tǒng)基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境（圖2所示，為ANSYS Workbench基礎(chǔ)框架），采用C#語言和插件開發(fā)技術(shù)（Addin）實現(xiàn)各類CAE軟件工具、自研軟件的集成和擴展。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理

通過分析船舶各專業(yè)設(shè)計過程各階段的輸入輸出模型和各類計算數(shù)據(jù)，對船舶各專業(yè)設(shè)計仿真過程中數(shù)據(jù)格式各異的關(guān)鍵技術(shù)問題，采用ANSYS EKM對CAE仿真軟件間的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行二次開發(fā)，定義出規(guī)范的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的自動轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)仿真模型、輸入輸出記錄、處理結(jié)果的存儲和恢復(fù)（如圖3所示）。

3.3 工具軟件集成方法

工具軟件集成功能主要實現(xiàn)專業(yè)仿真過程中使用到的商業(yè)軟件（包含ANSYS、PATRAN、NASTRAN、SYSNOISE、VA.ONE）和自研軟件的封裝調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞。

在Workbench架構(gòu)下集成Ansys、Patran、Sysnoise、VA.One等外部程序的主要接口，關(guān)聯(lián)仿真前處理、計算、后處理的各類工具，實現(xiàn)流程集成，最終實現(xiàn)一個可用于工程仿真的多種仿真工具集成平臺[3]。

工具集成是通過XML配置方式實現(xiàn)各種商業(yè)軟件及自研軟件的封裝。以商業(yè)軟件集成為例，軟件集成針對Ansys、Patran、Va.One、Sysnoise、Actran、Virtual Lab，實現(xiàn)集成界面定義、模型導(dǎo)入、程序調(diào)用、數(shù)據(jù)傳遞和保存工程等常用功能。

使用過程是通過對商業(yè)軟件XML配置文件進(jìn)行解析（如圖4所示），獲取軟件啟動路徑，以命令行方式打開商業(yè)軟件，從上游獲取模型文件，并注冊相關(guān)的工程文件。

以某專業(yè)仿真設(shè)計間數(shù)據(jù)傳遞為例，仿真過程涉及Design Modeler、Ansys、Patran、Va.One、Sysnoise等軟件。它們之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系及格式要求如圖5所示，分別為：Ansys到Sysnoise、Ansys到Va.One、Patran到Sysnoise、Patran到VA.One、Design Modeler到ansys、Design Modeler到Patran。

4 結(jié)語

通過對船舶各專業(yè)設(shè)計過程中的仿真軟件使用需求和數(shù)據(jù)管理特點的分析，本文提出適合各專業(yè)仿真管理的通用平臺設(shè)計方法。本單位成功應(yīng)用該方法設(shè)計、實施了一套適合聲學(xué)專業(yè)協(xié)同仿真的仿真設(shè)計管理平臺，驗證采用該方法設(shè)計的仿真管理平臺，集船舶各專業(yè)仿真設(shè)計的業(yè)務(wù)分析，工具集成、數(shù)據(jù)管理于一體，可有效提高船舶設(shè)計仿真的效率和數(shù)據(jù)管理的質(zhì)量，進(jìn)而提高各專業(yè)數(shù)字化研發(fā)能力，最終有力地保障船舶產(chǎn)品科研生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李范春.ANSYS Workbench設(shè)計建模與虛擬仿真[J].電子工業(yè)出版社，2011.

[2]買買提明.艾尼.ANSYS Workbench 14.0仿真技術(shù)與工程實踐[J].清華大學(xué)出版社，2013.

[3]王國峰.Workbench的基礎(chǔ)應(yīng)用——流體仿真[J].國防工業(yè)出版社，2012.

Abstract：The general platform design method of simulation management is based on the characteristics of ship design simulation. On the basis of combing the existing design process， based on Workbench， through the integration of all kinds of simulation software tools， a simulation management platform suitable for ship scheme design and detailed design phase is developed. The platform leads the data flow between different simulation software and realized the simulation data management.

Key words：ship design； simulation management； general platform