李華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

在汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)進(jìn)、排氣2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行很多輪次的虛擬仿真，而虛擬仿真流程復(fù)雜且每步都需要進(jìn)行人工操作，會(huì)耗費(fèi)大量的人力資源。常規(guī)的人工處理虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)無(wú)法很好地滿足當(dāng)前快速研發(fā)的需求和汽車工業(yè)的核心發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)航空、計(jì)算機(jī)和建筑領(lǐng)域在近幾年出現(xiàn)了一些和自動(dòng)化平臺(tái)相關(guān)的研究[1-5]。文獻(xiàn)[2]中初步實(shí)現(xiàn)了航空領(lǐng)域的CFD軟件的自動(dòng)測(cè)試，文獻(xiàn)[5]在信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)中心進(jìn)行自動(dòng)化部署?；诖耍恼略O(shè)計(jì)了整車進(jìn)排氣系統(tǒng)虛擬仿真自動(dòng)化分析平臺(tái)。該平臺(tái)符合汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在保證產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約了開(kāi)發(fā)過(guò)程中所耗費(fèi)的大量人力資源，提高了開(kāi)發(fā)效率。

1 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)功能

文章設(shè)計(jì)的整車進(jìn)排氣系統(tǒng)虛擬仿真自動(dòng)化分析平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱平臺(tái)）主要對(duì)汽車進(jìn)排氣系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的虛擬仿真分析實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，即輸入起始文件之后自動(dòng)生成分析報(bào)告并自動(dòng)發(fā)郵件通知用戶，用戶可隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽并下載分析報(bào)告。

該平臺(tái)中進(jìn)氣系統(tǒng)主要分析速度和壓降2個(gè)方面；排氣系統(tǒng)主要分析速度、壓降和溫度3個(gè)方面。用戶在進(jìn)行虛擬分析時(shí)，結(jié)合不同的情況會(huì)有不同的起始文件需求。本平臺(tái)允許虛擬仿真分析的4種起始點(diǎn)分別為：面網(wǎng)格文件（*.hmascii）、體網(wǎng)格文件（*.msh）、CASE文件（*.cas）和Cas/Dat（*.cas/*.dat）文件，不同的輸入形式都可以獲得同樣的分析結(jié)果。

本平臺(tái)同時(shí)支持本地工作站計(jì)算和服務(wù)器計(jì)算2種計(jì)算方式。它會(huì)將用戶所提交的虛擬仿真分析任務(wù)存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)所有虛擬仿真分析任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，允許用戶隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)頁(yè)查找數(shù)據(jù)、查閱報(bào)告，且對(duì)不同的項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，形成固定格式的對(duì)比報(bào)告。

1.2 平臺(tái)框架

本平臺(tái)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建，平臺(tái)部署在Linux服務(wù)器上，終端用戶可通過(guò)本地PC上的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問(wèn)平臺(tái)，進(jìn)行虛擬仿真分析。本平臺(tái)的框架搭建分為專業(yè)仿真模塊、基礎(chǔ)資源系統(tǒng)模塊和框架基礎(chǔ)功能模塊三部分，如圖1所示。

圖1 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真平臺(tái)基本框架

專業(yè)仿真系統(tǒng)由各仿真計(jì)算模塊構(gòu)成，即整車進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)仿真模塊，專業(yè)仿真模塊都有專業(yè)的應(yīng)用界面，引導(dǎo)用戶快速完成仿真計(jì)算過(guò)程；基礎(chǔ)資源系統(tǒng)主要是對(duì)各個(gè)專業(yè)模塊進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)的維護(hù)和保存，主要有車型平臺(tái)、仿真材料、計(jì)算工況等基礎(chǔ)庫(kù)；框架基礎(chǔ)功能模塊包括系統(tǒng)管理、任務(wù)管理和個(gè)人工作臺(tái)三部分，該模塊已經(jīng)考慮了后續(xù)專業(yè)仿真模塊的可能擴(kuò)展方向，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，柔性設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的兼容性。

1.3 執(zhí)行流程

用戶通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)登陸進(jìn)入平臺(tái)后，選擇所需要的系統(tǒng)及相應(yīng)車型平臺(tái)參數(shù)并創(chuàng)建分析任務(wù)，選擇相應(yīng)的計(jì)算起始點(diǎn)，之后上傳相應(yīng)的輸入文件，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件參數(shù)和計(jì)算參數(shù)，選擇計(jì)算方式，最后提交任務(wù)。如果選擇服務(wù)器端計(jì)算方式，則直接進(jìn)行后續(xù)計(jì)算、后處理及自動(dòng)生成報(bào)告，并通過(guò)郵件通知用戶計(jì)算完成；如果選擇本地工作站計(jì)算方式，則下載相關(guān)文件到用戶本地電腦自動(dòng)執(zhí)行run.bat文件，后續(xù)直接自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和生成結(jié)果。計(jì)算完成后將結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)再上傳到服務(wù)器，會(huì)自動(dòng)生成分析報(bào)告。

整個(gè)平臺(tái)的執(zhí)行流程，如圖2所示。

圖2 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真平臺(tái)執(zhí)行流程截圖

1.4 平臺(tái)部署環(huán)境

本平臺(tái)同時(shí)考慮了服務(wù)器和客戶端2種計(jì)算情況。當(dāng)用戶創(chuàng)建完項(xiàng)目后，可選擇在服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，或者下載到用戶的個(gè)人工作站進(jìn)行計(jì)算。采用這種方式給予了用戶更多的選擇空間，同時(shí)也提高了個(gè)人工作站的資源利用效率。

服務(wù)器端部署的環(huán)境為：Linux Redhat6.5操作系統(tǒng)；Tomcat/Apache Web服務(wù)器；MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；HTML/JAVA/CSS/SHELL開(kāi)發(fā)語(yǔ)言；LiberOffice軟件；Fluent18.0計(jì)算軟件。服務(wù)器的硬件最低配置為：64 G內(nèi)存，24個(gè)CPU核以及1 T的硬盤資源。

客戶端的操作系統(tǒng)可以為WIN7或者WIN10，瀏覽器建議為IE11.0或者Google，目前考慮的最佳分辨率范圍為1 600×900～1 920×1 200，其兼容了筆記本和工作站的分辨率范圍。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

MySQL是一種開(kāi)放源碼的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，具備體積小、速度快等特點(diǎn)。基于以上特點(diǎn)，本平臺(tái)采用MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)存儲(chǔ)用戶信息、角色權(quán)限、計(jì)算文件和結(jié)果文件等信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，一共有57張數(shù)據(jù)表，如圖3所示。

圖3 MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)表顯示界面

限于篇幅，文章列舉主要的數(shù)據(jù)庫(kù)表進(jìn)行解釋。

1）用戶信息表：主要包含用戶賬戶、真實(shí)姓名、密碼、電話、郵箱、所屬部門、權(quán)限角色等信息，其中郵箱信息用于計(jì)算完成時(shí)通過(guò)郵箱通知用戶。

2）車型平臺(tái)信息列表：車型平臺(tái)信息主要包含平臺(tái)名稱、車型名稱、車型年份、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、驅(qū)動(dòng)形式、左右駕及項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)共8個(gè)字段信息，其中平臺(tái)名稱和車型名稱之間是相關(guān)聯(lián)的。

3）任務(wù)信息表：主要包含任務(wù)ID、名稱、所屬模塊、狀態(tài)、用戶、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、結(jié)果文件及l(fā)og信息等。其中任務(wù)狀態(tài)有已創(chuàng)建、已提交、計(jì)算中和已完成4種，計(jì)算過(guò)程的信息可以點(diǎn)擊log文件進(jìn)行查看。

4）進(jìn)排氣系統(tǒng)基礎(chǔ)邊界條件表：主要有進(jìn)排氣系統(tǒng)的體網(wǎng)格和面網(wǎng)格的邊界條件設(shè)置。其中體網(wǎng)格主要包含了體網(wǎng)格類型和材料；面網(wǎng)格包含了進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件及壁面邊界條件等設(shè)置。

5）權(quán)限角色表：本平臺(tái)對(duì)每一個(gè)專業(yè)模塊和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊都進(jìn)行了權(quán)限管理。只有當(dāng)用戶被賦予某個(gè)模塊的管理員角色時(shí)，該用戶才有權(quán)進(jìn)行該模塊的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理。

6）材料參數(shù)表：主要有固體材料參數(shù)表和流體材料參數(shù)表，分別記錄了在進(jìn)排氣分析中所需要用到的所有材料的相關(guān)參數(shù)。

本平臺(tái)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SQL語(yǔ)言，可以對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)表執(zhí)行查詢、添加、刪除的操作。

3 網(wǎng)頁(yè)界面設(shè)計(jì)

本平臺(tái)基于IE瀏覽器登錄，用戶通過(guò)登錄頁(yè)面輸入正確的用戶名、密碼和驗(yàn)證碼后進(jìn)入主界面。主界面的左側(cè)為導(dǎo)航欄，右側(cè)為導(dǎo)航欄相對(duì)應(yīng)的頁(yè)面顯示區(qū)，如圖4所示。左側(cè)的導(dǎo)航欄主要有個(gè)人工作臺(tái)、仿真應(yīng)用系統(tǒng)、仿真任務(wù)管理、仿真資源管理、系統(tǒng)管理共五部分。點(diǎn)擊每個(gè)導(dǎo)航按鈕，可以進(jìn)入各功能模塊對(duì)應(yīng)的主界面，每個(gè)部分的頁(yè)面見(jiàn)3.1～3.5節(jié)。

圖4 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真?zhèn)€人工作臺(tái)頁(yè)面

3.1 個(gè)人工作臺(tái)

個(gè)人工作臺(tái)頁(yè)面，如圖4所示，主要由個(gè)人任務(wù)信息、任務(wù)統(tǒng)計(jì)信息和系統(tǒng)公告信息三部分組成。

1）個(gè)人任務(wù)信息：顯示當(dāng)前登陸用戶提交且完成的最新的5條任務(wù)，點(diǎn)擊查看結(jié)果可以跳轉(zhuǎn)到分析任務(wù)的結(jié)果頁(yè)面。

2）任務(wù)統(tǒng)計(jì)信息：顯示起始和終止時(shí)間段內(nèi)各個(gè)分類的任務(wù)數(shù)量，選擇起止時(shí)間和分類種類后可查看任務(wù)數(shù)量。分類種類主要有計(jì)算狀態(tài)（已創(chuàng)建、計(jì)算中、已終止和已完成）、計(jì)算方式（本地、服務(wù)器和PBS）和計(jì)算模塊（整車進(jìn)氣系統(tǒng)和整車排氣系統(tǒng)）3種。

3）系統(tǒng)公告信息：在當(dāng)前用戶的角色權(quán)限或者數(shù)據(jù)被更高級(jí)別的用戶修改后，相關(guān)的信息會(huì)在該處顯示，提示用戶相關(guān)的更改信息。

3.2 仿真應(yīng)用系統(tǒng)

仿真應(yīng)用系統(tǒng)頁(yè)面是各個(gè)專業(yè)分析模塊的入口頁(yè)面，用戶根據(jù)被賦予的權(quán)限可以進(jìn)入到相應(yīng)的模塊中。

當(dāng)用戶將鼠標(biāo)定位到各個(gè)專業(yè)模塊時(shí)，每個(gè)模塊下面的說(shuō)明會(huì)自動(dòng)彈出，讓用戶對(duì)該專業(yè)模塊有直觀的了解。整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真應(yīng)用系統(tǒng)頁(yè)面，如圖5所示。若用戶沒(méi)有該模塊的權(quán)限，點(diǎn)擊該模塊會(huì)提示沒(méi)有權(quán)限進(jìn)入。頁(yè)面過(guò)5 s后會(huì)自動(dòng)返回之前的頁(yè)面。

圖5 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真應(yīng)用系統(tǒng)頁(yè)面

3.2.1 整車進(jìn)氣系統(tǒng)

點(diǎn)擊底盤進(jìn)氣系統(tǒng)模塊進(jìn)入到該專業(yè)仿真模塊，其完整的流程包括創(chuàng)建任務(wù)、體網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、計(jì)算求解設(shè)置、計(jì)算結(jié)果顯示5步。限于篇幅，文章只顯示計(jì)算結(jié)果顯示的頁(yè)面，如圖6所示。

圖6 整車進(jìn)氣系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果顯示頁(yè)面

3.2.2 整車排氣系統(tǒng)

點(diǎn)擊底盤排氣系統(tǒng)模塊進(jìn)入到該專業(yè)仿真模塊，其完整的流程包括創(chuàng)建任務(wù)、體網(wǎng)格生成、材料模型設(shè)置、邊界條件設(shè)置、計(jì)算求解設(shè)置、計(jì)算結(jié)果顯示6步。限于篇幅，文章只顯示計(jì)算結(jié)果顯示的頁(yè)面，如圖7所示。

圖7 整車排氣系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果顯示頁(yè)面

3.3 仿真任務(wù)管理

仿真任務(wù)管理頁(yè)面對(duì)任務(wù)的處理有如下功能：復(fù)制、刪除、停止、恢復(fù)、上傳、刷新、搜索、分頁(yè)條和任務(wù)顯示，如圖8所示。

圖8 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)仿真任務(wù)管理頁(yè)面

復(fù)制：只復(fù)制任務(wù)數(shù)據(jù)，不復(fù)制計(jì)算結(jié)果，新復(fù)制的任務(wù)狀態(tài)為已創(chuàng)建；刪除：主要用于刪除不必要的任務(wù)，已提交和已創(chuàng)建狀態(tài)的任務(wù)不能刪除；停止：計(jì)算中的任務(wù)可以點(diǎn)擊停止按鈕來(lái)停止任務(wù)；恢復(fù)：對(duì)已停止的任務(wù)點(diǎn)擊恢復(fù)按鈕可使任務(wù)重新開(kāi)始計(jì)算；上傳：當(dāng)本地計(jì)算完成后，選擇該任務(wù)并點(diǎn)擊上傳按鈕，可以將本地的計(jì)算結(jié)果上傳到服務(wù)器中，用于后處理和報(bào)告生成；刷新：更新所有的任務(wù)狀態(tài)；搜索：在搜索框輸入要搜索的內(nèi)容，點(diǎn)擊搜索對(duì)任務(wù)列表進(jìn)行過(guò)濾，可以對(duì)任務(wù)ID、任務(wù)名稱、所屬模塊、任務(wù)狀態(tài)、計(jì)算方式及創(chuàng)建人進(jìn)行搜索；分頁(yè)條：每頁(yè)顯示的條目有5，10，20，30，50 條，共 5 種選擇，且可以跳轉(zhuǎn)到任意頁(yè)面，點(diǎn)擊相應(yīng)的頁(yè)面數(shù)據(jù)也可以跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的頁(yè)面。

3.4 仿真資源管理

仿真資源管理是針對(duì)各個(gè)專業(yè)仿真模塊所需要的后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。目前主要有車型平臺(tái)庫(kù)、仿真材料庫(kù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖9所示。每個(gè)仿真資源庫(kù)都支持在頁(yè)面上進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加、刪除和更新操作。這樣便于管理員進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

圖9 整車排氣系統(tǒng)仿真資源管理頁(yè)面

3.4.1 車型平臺(tái)庫(kù)

車型平臺(tái)信息有平臺(tái)名稱、車型名稱、車型年份、發(fā)動(dòng)機(jī)名稱、變速箱、驅(qū)動(dòng)形式、左右駕、項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)共8個(gè)字段。

3.4.2 仿真材料庫(kù)

仿真材料庫(kù)是針對(duì)各個(gè)專業(yè)仿真模塊所需要用到的材料進(jìn)行管理。可以根據(jù)文件導(dǎo)入導(dǎo)出進(jìn)行材料庫(kù)的信息更新。當(dāng)前材料庫(kù)主要有流體材料和固體材料。流體材料參數(shù)主要有：材料編號(hào)、名稱、密度計(jì)算方法、密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和粘性系數(shù)；固體材料參數(shù)主要有：材料編號(hào)、材料名稱、密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

3.4.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理按照每個(gè)專業(yè)仿真模塊所涉及到零件的邊界條件進(jìn)行分類和管理，包括計(jì)算分析的體網(wǎng)格類型和面網(wǎng)格的邊界條件類型和參數(shù)。

3.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的用戶角色和用戶信息進(jìn)行管理。本平臺(tái)對(duì)于每個(gè)使用的系統(tǒng)都進(jìn)行了權(quán)限的設(shè)置，根據(jù)用戶使用權(quán)限的不同進(jìn)行角色區(qū)分；用戶管理是對(duì)于已建立的用戶信息進(jìn)行管理，主要管理的信息為用戶賬戶、用戶密碼、確認(rèn)密碼、真實(shí)姓名、電話號(hào)碼、電子郵箱、所屬部門、用戶角色信息，并上傳用戶頭像。

4 平臺(tái)應(yīng)用

4.1 平臺(tái)結(jié)果驗(yàn)證

本平臺(tái)搭建完成之后，需要對(duì)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度校正，以保證平臺(tái)自動(dòng)化分析的結(jié)果和人工手動(dòng)分析出來(lái)的結(jié)果一致。為此，文章對(duì)比了進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)的分析結(jié)果，限于篇幅，僅列出少部分零件結(jié)果，如表1所示。

表1 整車排氣系統(tǒng)結(jié)果比較

在對(duì)比的分析工況中，平臺(tái)和人工計(jì)算的起始文件（面網(wǎng)格）和計(jì)算輸入都是一致的。從表1可以看出，平臺(tái)分析得出的結(jié)果和人工手動(dòng)分析的結(jié)果完全一致，說(shuō)明本平臺(tái)的分析結(jié)果是可靠的。

4.2 平臺(tái)收益

整車進(jìn)排氣CAE分析流程主要有幾何生成面網(wǎng)格、體網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、機(jī)器計(jì)算、后處理及報(bào)告生成6個(gè)過(guò)程，其中的計(jì)算過(guò)程由機(jī)器完成，其余均需要手動(dòng)介入，其各自的過(guò)程占整個(gè)過(guò)程的時(shí)間比例，如圖10所示。本平臺(tái)已經(jīng)完成了需人工介入的5個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化，使其可全部由計(jì)算機(jī)完成，自動(dòng)化后，人工所占的比例將由之前的80%降低至25%。

圖10 整車進(jìn)排氣系統(tǒng)每步虛擬分析流程時(shí)間占比

5 結(jié)論

本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從面網(wǎng)格到報(bào)告的全自動(dòng)生成，部署在B/S架構(gòu)，方便軟件的安裝和用戶的使用，初步實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真的移動(dòng)辦公。平臺(tái)以用戶的使用需求出發(fā)，頁(yè)面設(shè)計(jì)和仿真模塊劃分清晰，用戶操作簡(jiǎn)單便利。平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果與人工的結(jié)果完全一致，結(jié)果可靠，從而節(jié)約了人力資源，并便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查詢。平臺(tái)創(chuàng)建了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)表、管理平臺(tái)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析任務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，各仿真模塊的分析數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的傳遞并且為將來(lái)的大數(shù)據(jù)、智能計(jì)算、多學(xué)科互聯(lián)優(yōu)化的開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。