電子產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同仿真

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 曾銳*平麗浩*翁力群來源: 安世亞太
關(guān)鍵字: 電子 CAE 仿真解決方案 ANSYSY 安世亞太

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備在各種高科技武器裝備中的應(yīng)用日益廣泛,其性能在很大程度上決定了裝備的綜合作戰(zhàn)性能?？梢哉f,沒有各種電子設(shè)備,“打贏高科技條件下局部戰(zhàn)爭”的目標(biāo)將無法實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入新世紀(jì)后,國際政治軍事斗爭的形勢日趨復(fù)雜,如何根據(jù)部隊需求快速研制出技術(shù)先進(jìn)、成本低廉的電子設(shè)備已成為軍工制造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

電子科技集團(tuán)第十四研究所是國內(nèi)最大的從事電子產(chǎn)品尤其是雷達(dá)研究、設(shè)計、制造的專業(yè)研究所,承擔(dān)了我國多個型號雷達(dá)系統(tǒng)的研制任務(wù)?！鞍宋濉币詠?十四所就在數(shù)字化設(shè)計方面開展了一系列預(yù)研與開發(fā),以數(shù)字化工具為手段,努力實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)性能提高和快速響應(yīng),為全面提升軍工制造業(yè)研制水平提供了有力支持。

在多年的電子設(shè)備研發(fā)中,我們總結(jié)出電子產(chǎn)品相對于飛機(jī)、艦船、車輛等以機(jī)械為主的產(chǎn)品的若干特點(diǎn):

(1)涉及學(xué)科眾多,且相互耦合

電子產(chǎn)品的研發(fā)過程涉及到機(jī)、電、磁、熱等多個不同學(xué)科,各學(xué)科之間耦合緊密,相互影響。尤其是機(jī)電耦合,如不加以仔細(xì)分析,將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。

(2)種類繁多

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展,電子產(chǎn)品的種類也日趨繁多。以雷達(dá)為例,根據(jù)裝置平臺的不同(地面、艦載、機(jī)載、星載)、發(fā)射方式的不同(有源、無源)、掃描方式的不同(機(jī)掃、電掃),衍生出了成員眾多的家族。

(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

電子產(chǎn)品尤其是軍用電子產(chǎn)品通常工作空間非常有限,而環(huán)境非常惡劣。這就要求在很小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種功能,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

(4)技術(shù)飛速發(fā)展,產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁

電子學(xué)是目前發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一,運(yùn)行速度、集成度等核心參數(shù)以幾何級數(shù)的速度提高。技術(shù)高速發(fā)展帶來了產(chǎn)品更新速度加快,要求企業(yè)必須加快產(chǎn)品的研發(fā)速度才能不被市場拋下。

一、電子產(chǎn)品研發(fā)面臨的問題

經(jīng)過多年電子產(chǎn)品的研發(fā)與經(jīng)驗積累,中國電子科技集團(tuán)十四所形成了一套符合自身特點(diǎn)、行之有效的研發(fā)體系。但是隨著科技的高速發(fā)展和裝備研制的加速,一些瓶頸開始凸現(xiàn):

(1)缺乏多學(xué)科協(xié)同仿真

以往的研發(fā)工作中往往將各學(xué)科分開考慮,以單學(xué)科性能最優(yōu)為目標(biāo),進(jìn)行的仿真也只是單學(xué)科靜態(tài)仿真。這樣的研發(fā)沒有考慮各學(xué)科間的耦合,因而無法協(xié)調(diào)各學(xué)科性能,也無法模擬更真實(shí)的動態(tài)性能,難以達(dá)到產(chǎn)品總體性能最優(yōu)。

(2)學(xué)科分工模糊

從CAD建模、CAE仿真、CAM制造,乃至測試基本上都是由同一個人完成。研發(fā)人員的個人經(jīng)驗起著主導(dǎo)作用,導(dǎo)致產(chǎn)品的性能并不穩(wěn)定。

(3)仿真門檻較高

電子產(chǎn)品的研發(fā)過程是電子、機(jī)械、液壓、控制、軟件等多學(xué)科交叉和協(xié)作的系統(tǒng)工程,因此開發(fā)過程中使用的仿真工具也各不相同。設(shè)計人員難以全部掌握,影響了仿真工具性能的充分發(fā)揮。

(4)軟件互不兼容

各異構(gòu)仿真軟件尤其是電磁軟件與結(jié)構(gòu)軟件間模型各異,數(shù)據(jù)格式互不兼容,必須手工進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換。這樣不但耗費(fèi)了設(shè)計人員的很大一部分時間和精力,而且容易出錯。

(5)知識經(jīng)驗無法積累和使用

在仿真軟件的使用中,各學(xué)科軟件的熟練使用人員都會摸索和積累大量經(jīng)驗和技巧。這種知識目前只能通過長期的積累才能獲得,初學(xué)者很難快速獲得。此外,以往產(chǎn)品開發(fā)中的大量數(shù)據(jù)與模型都分散在各個設(shè)計人員手中,其它人難以共享。這些知識經(jīng)驗是企業(yè)最寶貴的資源之一,有必要加以整理與保存。
二、多學(xué)科協(xié)同開發(fā)平臺的建立

為突破以上研發(fā)瓶頸,我們與國內(nèi)最大的CAE提供商安世亞太合作,針對電子產(chǎn)品的特點(diǎn),在PERA Simulation平臺的基礎(chǔ)上,提出建立基于模塊化思想,仿真驅(qū)動,全所資源共享的“電子產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同開發(fā)平臺”(以下簡稱平臺)。

該平臺以電子產(chǎn)品典型模塊為對象,突破軟件集成、流程固化、數(shù)據(jù)管理與共享等關(guān)鍵技術(shù),整合了我所仿真軟件資源,打通CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM各系統(tǒng)間接口,為協(xié)同仿真提供了支撐平臺,使不同學(xué)科、位于不同邏輯節(jié)點(diǎn)、基于不同計算機(jī)平臺的設(shè)計人員可采用不同建模方法建立混合異構(gòu)層次化仿真模型,并在分布式環(huán)境上進(jìn)行仿真與分析。

1.平臺框架

如圖1所示,整個平臺按功能和層次的不同可分為用戶交互層,系統(tǒng)功能層和底層支持層三層。

用戶交互層是平臺的入口,主要提供一個統(tǒng)一的用戶界面。設(shè)計人員在本界面內(nèi)即可完成全部的設(shè)計和仿真工作,無需在各個軟件和系統(tǒng)間頻繁的切換界面和交換數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)功能層為設(shè)計人員在用戶交互層的操作提供工具、技術(shù)和數(shù)據(jù)的支持,是本系統(tǒng)的主要組成部分,也是本系統(tǒng)的核心,又可以進(jìn)一步劃分為功能模塊層,核心技術(shù)層和數(shù)據(jù)支持層三層。

功能模塊層包括各類典型模塊的快速開發(fā)子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都可以完成快速建模,多學(xué)科快速仿真與優(yōu)化以及相應(yīng)模塊研發(fā)與仿真數(shù)據(jù)管理三大功能。

核心技術(shù)層集成了為實(shí)現(xiàn)以上功能的各項關(guān)鍵技術(shù),包括模塊設(shè)計規(guī)則、多學(xué)科耦合解耦技術(shù)、多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)、異構(gòu)軟件集成技術(shù)等等。

數(shù)據(jù)支持層為功能實(shí)現(xiàn)和技術(shù)集成提供數(shù)據(jù)的支持,包括各種研發(fā)數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)功能層為整個平臺提供了應(yīng)用業(yè)務(wù)的支持,也是定制開發(fā)的重點(diǎn),關(guān)系著整個系統(tǒng)的性能。

底層支持層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ),包括PDM系統(tǒng)以及底層的高性能服務(wù)器、高速網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、后臺服務(wù)、分布式任務(wù)控制等。這些資源為整個系統(tǒng)提供了軟硬件的支持。

2.多學(xué)科協(xié)同仿真

完成平臺框架設(shè)計后,我們針對典型模塊在設(shè)計與仿真中遇到的多學(xué)科協(xié)同仿真問題在以下幾個方面開展了研究。

(1)多場耦合動態(tài)仿真

如前文所述,電子產(chǎn)品的開發(fā)涉及到多個不同學(xué)科,學(xué)科之間耦合緊密。例如某種雷達(dá)在常溫靜態(tài)測試時一切正常,而在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中性能就大受影響。這就要求在研發(fā)時運(yùn)用多場耦合解耦技術(shù),建立符合電子產(chǎn)品學(xué)科特點(diǎn)的多學(xué)科研發(fā)流程,實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真。如圖2所示是運(yùn)用解耦技術(shù)建立的某模塊多學(xué)科仿真流程,其研發(fā)過程中要進(jìn)行電路、電磁兼容、熱、結(jié)構(gòu)、振動、可靠性等多項仿真,各項仿真分析結(jié)果相互耦合和影響。必須合理安排不同仿真任務(wù)的次序,經(jīng)過多次迭代后才能得到較符合實(shí)際的動態(tài)仿真結(jié)果。

(2) 流程固化與管理

為了解決企業(yè)仿真中“老人不想做,新人做不了”的情況。平臺根據(jù)各典型產(chǎn)品的研發(fā)特點(diǎn),將產(chǎn)品研發(fā)的分析經(jīng)驗進(jìn)行積累和整理,固化成適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品研發(fā)流程,對研發(fā)過程中用到的各分析軟件(包括第三方CAE軟件和自行開發(fā)的軟件)和分析流程進(jìn)行二次開發(fā),定制了多學(xué)科仿真流程模板。設(shè)計人員只需根據(jù)模板提示操作,平臺自動在后臺調(diào)用相關(guān)工具并完成設(shè)置、仿真、顯示等一系列復(fù)雜工作。這樣普通設(shè)計人員只需經(jīng)過簡單培訓(xùn)就可以掌握常規(guī)產(chǎn)品的設(shè)計,而資深設(shè)計師可以將更多的精力集中到解決復(fù)雜技術(shù)問題中。如圖3即為某產(chǎn)品多學(xué)科仿真流程模板。

(3) 打通軟件接口

平臺利用軟件集成技術(shù),打通了研發(fā)中使用的各仿真軟件間的數(shù)據(jù)接口。設(shè)計人員只需面對統(tǒng)一界面,關(guān)心與自己工作有關(guān)的部分,所有仿真軟件間數(shù)據(jù)交換都由平臺在后臺自動完成。如下圖4所示,同一模型在各軟件間可以自動地?zé)o損轉(zhuǎn)換。

三、結(jié)束語

電子產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同開發(fā)平臺的建立,不但提升了十四所產(chǎn)品開發(fā)過程中的仿真水平,而且發(fā)現(xiàn)并改革了現(xiàn)有研發(fā)模式、管理制度、工作流程中的某些問題。下一階段,計劃將快速生產(chǎn)、虛擬測試、整機(jī)仿真等功能都納入該平臺的體系,實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品研制從下達(dá)任務(wù)、設(shè)計、制造、測試、直至產(chǎn)品交付的全壽命周期數(shù)字化,為滿足部隊新裝備多型號、快響應(yīng)的要求奠定堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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