面向汽车的有限元高性能计算协同设计平台

周爱国，陆 亮，王闻莉，周治平，高卫民，戴 轶

ZHOU Ai-guo1, LU Liang1, WANG Wen-li1, ZHOU Zhi-ping1, GAO Wei-min2, DAI Yi2

（1. 同济大学 机械工程学院，上海 201804；2. 上海汽车集团股份有限公司 技术中心，上海 201804）

0 引言

整车零部件的有限元分析是现代汽车设计的一个极其重要的内容，它涉及到车辆动力学、材料学、计算力学和计算机仿真等多学科的综合知识，这些关键技术在汽车产品创新设计过程中的有效使用，是缩短开发周期，节约开发成本的有效途径。基于Web的协同设计环境正好满足其要求，CSCW(Computer Supported Cooperative Work)协同设计的运用，使设计者采用群体工作的方式，从而不同程度地改善了传统设计中项目管理与设计之间以及不同设计阶段之间的脱节，使不同地点的管理人员、设计人员以及用户等都能同步或异步地参与设计工作，从而提高设计的质量和效率[1]；而通过Web平台，各个网络成员能发挥各自的优势，以最短的时间实现汽车零部件与整车的有限元分析工作[2]。

本文提出的基于Web的高性能计算协同设计平台，主要针对汽车关键零部件的大规模数值计算有限元分析，借助于已经建立的公共计算服务中心，目的在于为汽车产品的协同创新设计提供一个良好的开发环境。

1 协同设计平台体系规划

协同设计的实施是以划分出一系列子任务为基础，各个设计小组承担不同的子任务[3]。协同设计的体系图如图1所示。

图1 协同设计体系图

该平台采用B/S三层架构，平台由用户端协作层、服务器层、数据库支撑层组成。最上层为协作层，由若干个设计小组构成，每个小组承担不同的设计任务，通过信息的交流完成设计任务。

服务器端主要实现用户权限判断和功能设计、冲突消除、以及用户共享数据库的管理。服务器层的这些功能通过ASP.NET的编程实现，同时面向协同小组组员的程序通过HTML,ASP.NET,C#，XML来实现，面向数据库的部分程序通过ADO.NET与数据库连接。

该平台采用SQLserver2000作为后台数据库完成数据的存取，同时触发器和存储过程可以执行部分数据计算任务，这减轻了程序设计任务。根据平台的需要，数据库可划分为：

1）用户资料数据库：存放用户的基本信息；

2）用户角色管理数据库：存放用户角色信息及权限，角色由管理员赋值，在赋予用户角色的同时也决定了用户的权限；

3）角色行为数据库：记录用户所拥有角色在任务完成过程中的操作行为，以便解决冲突时的回溯；

4）资料信息数据库：存放设计常用的参考数据资料，以及已有的汽车零部件的CAD、CAE资料；

5）设计数据数据库：储存各协同小组所设计产品的具体参数。

2 协同平台总体结构设计

该平台的结构可以划分4大模块：基本公共模块，中心设计模块，学科设计子模块，以及应用程序模块，结构如图2所示。

图2 协同设计平台结构图

4个子模块都需要数据库的支持，且几个模块之间的数据交换都要通过这几个数据库为中介。

3 子模块设计分析

3.1 基本公共模块

基本公共模块由访问安全性管理、公告管理、用户管理、资料管理构成。

在现代企业管理中，机密越显重要，用户需要登录以该平台为依托的网站才可以获取各种信息。因此对整个系统的访问都要通过访问安全管理，它用于控制用户进入系统和进系统后的相关权限，具体包括：用户注册、用户登录。图3所示为登陆平台的整体流程图。

公告栏是平台的门户，用户登录系统后通过公告栏看到当前任务和版本更新通知，能否发布告由用户的角色权限决定。

图3 平台登陆流程图

登陆该平台的用户，可通过用户管理模块查看自己当前的角色和权限，当用户的职位、所在部门等基本资料发生变化时，通过此模块可进行修改并保存在相应数据库中。

资料管理中包含三类资料：公共资料，CAD资料，以及CAE资料。公共资料面向于全部协同设计成员，其存储各种类型的公开性文件，如机械设计手册、国家标准、汽车行业标准等。CAD资料分为汽车零部件的二维图、三维图两大类。为了便于设计者快速查找，每一类中零件模型按照整车结构分为以下几大类：发动机，传动系统，行驶系统，转向系统，以及制动系统。每个系统再通过命名与编号的方式进行详细分解。不同小组的设计者可根据实际需要，直接调用模型，达到资源重复利用的目的。CAE数据库用来储存CAD数据库中三维模型的有限元分析结果，如车身、底盘、悬架系统、和车轮等主要零部件的动力学、强度、刚度、振动、应力、热传导分析结果，各部分零件的分析结果采用与上述CAD文件相似的方法进行统一分类。这些CAE数据为进一步的研究，如汽车零部件疲劳寿命耐久性分析，操纵稳定性分析，行驶平顺性分析等提供参考数据。

3.2 中心设计模块

中心设计模块是该平台的重要环节，它包括任务管理和角色管理。

3.2.1 任务管理

1）任务的工作流管理技术

平台的任务管理主要指管理员对汽车有限元协同设计任务的划分和监控，任务的划分是基础，任务的监控是核心。该平台的一大特点就是在CSCW中融入了工作流技术。

工作流管理联盟（Workflow Management Coalition,WfMC) 将工作流定义为，业务过程的全部或部分自动化，在此过程中，按照一系列过程规则，文档、信息或任务在不同的执行者之间传递与执行。使用工作流可以使应用逻辑与它的信息支撑系统相分离，不修改具体功能模块实现方式而通过修改过程模型来改进系统[4]。CSCW的实质是利用计算机的通信能力，达到各个工作方面的通信、交流、协同工作,而有了工作流技术作为支撑，可以更好的协调有限元分析过程中各个方面的关系[5]。

图4为该协同设计平台的总体工作流程，系统采用调度方式与触发方式来实现工作流引擎的过程，其中调度方式实现监控，其他功能则通过关系数据库中的触发器实现。

管理人员创建新项目后，进行任务分配，确定小组负责人，结果显示在路由节点图上，并发布信息，通知具有权限的小组负责人领取任务。负责人领取任务后，再将任务分配给组员。组员领取任务，可以查看整个任务的安排情况，及与自己任务相关的用户，在设计时利用公告栏，聊天室等协同工具及时进行沟通。任务完成的情况全部记录在监控表上，管理人员可以通过查看监控表上的记录实现进度的实时监控，并且通过关系数据库中的触发器实现路由表上任务分配流程的动态修改，及归档处理等。项目设计过程呈现出：强规律性、强时序性、强逻辑性、强反复性。

图4 基于工作流的任务管理流程图

2）设计中冲突的消解

在汽车零部件有限元分析协同设计过程中，由于各协同小组成员的专业知识不同，每一个环节中的任务要求不同，缺乏共同的知识表达方法，以及在完成局部设计时尽可能使自己的目标值取最优，较少也较难考虑到其它领域的目标等原因，冲突是协同设计系统必须面临的问题，协同设计的过程就是一个冲突产生和消解的过程[6]。

该平台利用任务管理中的任务批注和任务历史记录进行冲突消除。任务往前推进，有不同设计版本出现时，管理员审批通过后，会在任务批注栏注明版本更新通知，并发布公告，任务历史记录数据库中就记录了不同设计人员的不同版本，这时就需要消解冲突。相关人员看到更新公告后，先人工进行冲突检测，当发现新版本与自己的设计相符合则设置该版本有效,如不符合即与设计者协商讨论，如果协商成功，则冲突解决，否则冲突将提交到小组负责人处，由小组负责人仲裁，如果小组负责人无法仲裁则提交项目管理员。无冲突或已经解决冲突的版本为有效版本，无效版本由管理员删除。

3.2.2 角色管理

该平台采用基于角色的访问控制技术RBAC，RBAC即权限与角色相关联，用户通过被授予若干角色而获得相应权限。管理员根据组织中的职能分工创建角色，同时根据责任和资格授予用户相应角色，通过分配和撤销授予用户的角色来完成用户权限的授予和撤销[7]。

引入角色这个中介,安全的管理就可以根据需要来定义角色,并设置合适的访问权限,而用户根据其责任和权利被指派为不同的角色。整个访问控制过程就被分成了两部分：访问权限与角色相关联,角色再与用户相关联，从而实现了用户与访问权限的逻辑分离[7]。RBAC极大地方便了权限的管理，如果用户的职位与任务发生了变化,只要将用户当前的角色去掉加入代表新的职务或任务的角色即可。在该平台中，每一部分的功能都被设定了相应的权限要求，只有拥有权限才能使用，所有权限要求统一放在权限管理部分。该技术实现了用户与权限的分离管理，保证了数据的安全性。

3.3 学科设计子模块

学科设计子模块完成小组管理与设计数据管理，其主要针对各协同设计小组。

汽车零部件的复杂性与多样性决定了协同设计人员的多样性，为了便于不同小组的管理，平台采用了协同设计小组分类管理的方法。小组成员通过小组管理模块可知道自己所在的协同小组，且当有新任务公告发布时，小组成员根据管理员指示申请加入指定的小组，等待管理员审批，此举使管理员对整个任务安排实现监控。

设计数据管理实现了设计数据的统一分类管理，具体包括CAD二维数据、CAD三维数据、CAE前处理数据、CAE后处理数据、仿真文件，每一类文件同时又按所属项目、上传时间、零部件类型、上传人进一步分类，保证了设计数据的有序性与层次性。小组成员可以根据自己相应的权限进行查询、下载其他相关小组的数据结果，利用平台中的协同工具及时进行沟通，达到协同设计的目的。

3.4 应用程序模块

该协同平台主要面向于汽车主要零部件的有限元分析，需要用到FLUENT、NASTRAN、DYNA等大型有限元数值分析软件，大规模的计算对计算机的需求较高，而且涉及到大量并行计算问题。为了尽可能的提高有限元分析的解算速度，该平台的另一大特点就是建立了高性能计算模块，实现了与企业高性能计算平台的链接，对有限元数据进行统一排队计算，有效地利用超级计算机的CPU、监测并优化其使用率。

需要提交数据计算的小组成员首先新建工程，然后根据设计产品计算量的大小，并通过上传待计算文件栏观察到的各主机的使用情况，选择主机，填写所需内存与CPU个数，最后将需要计算的设计数据提交到计算服务中心，设计数据会根据相应的权限优先级排队等候。计算中心对设计数据进行管理，用户可以在进度表中看到计算的完成情况，当设计数据处理结束后，则可以进行相应的下载。该模块有效地利用了高性能计算资源，实现了设计数据的远程高效计算，大大提高了计算效率。

应用程序模块中还包括各种CAD、CAE软件，如UG,CATIA,ADAMS，ANSYS等，通过该模块可以方便于系统用户快速打开本地的应用程序。而在线聊室，则方便了分布较远的设计者及时的沟通，有利于方案的共享、比较和优化，减少了因重复设计，造成人力资源浪费。

4 基于Pave路谱的整车耐久分析

基于Pave路谱的整车耐久分析是通过有限元方法，对汽车在路面行驶时各部分零件的应力分布情况进行有限元仿真分析。该项目通过此协同设计平台提高了设计效率，达到缩短开发周期，节约成本的目标。

管理员登陆系统，建立项目，并安排工作流进程统筹管理整个项目：1）对整车及路面进行三维建模。2）对整车模型进行有限元前处理。3）对路面模型进行有限元前处理。4）对整体模型进行有限元前处理并提交计算。5）对整体模型进行有限元后处理。整车设计小组可调用设计资料数据库中的汽车主要零件模型进行建模，路面设计小组可查阅设计资料数据库中的公共文件，参考相关参数进行路面建模，小组负责人审核通过后，继续工作流。其它小组直接调用已建好模型进行各自任务，同时，通过应用程序模块及时沟通。在涉及到解算处理时，相关的任务负责人通过高性能计算模块提交有限元前处理模型至高性能计算中心。最后小组负责人对任务进行审批，验收合格后将结果提交到相应数据库，项目流程如图5所示。

图5 基于Pave路谱的整车耐久分析在平台的工作流程

5 结论

面向汽车关键零部件有限元分析的高性能计算协同设计平台，有效地利用了协同设计的理念，很好地解决设计者分布在较大的范围内，沟通不便，而造成人力资源浪费的问题。B/S结构，Web技术，以及数据资源管理技术的合理运用，使多个关联的设计工作能协调高效地完成。工作流管理技术的概念的运用，更加有效地实现了对项目任务的实时监督。同时，该平台内含有超级计算机中心的链接，为CAE等需大量计算的设计工作提供了便利。在高知识含量的新产品为竞争核心的新时代，该平台符合了提高设计效率，降低设计成本，缩短产品开发周期的要求。当然为完善该平台在各个模块的功能还有许多工作要做，相信在不久该平台必将更加完善。

[1]张志胜,史金飞.颜景平.基于Web的协同设计冲突消解系统研究[J].制造业自动化.2003,25(5)：16-19.

[2]石德乾.基于Web的设计制造资源共享技术研究[D].四川：四川大学,2003：1-3.

[3]常锋娟,刘苏.基于web的协同设计系统[J].机电工程技术.2004,4(33)：49-51.

[4]王文斌,等.机械设计手册(新版第6卷)[M].北京：机械工业出版社,2004.

[5]李智,李亚桥.基于工作流的协同设计系统应用[J].中国民航大学学报.2007,7(25)：118-119.

[6]张志胜,史金飞,颜景平.基于Web的协同设计冲突消解系统研究[J].制造业自动化. 2003.5：16-19.

[7]黄国言,金顺福.计算机网络协同与交互技术[M].北京：北京邮电大学出版社,2008.