電子產品多學科協同仿真

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

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

隨著信息化技術的發展,電子設備在各種高科技武器裝備中的應用日益廣泛,其性能在很大程度上決定了裝備的綜合作戰性能。可以說,沒有各種電子設備,“打贏高科技條件下局部戰爭”的目標將無法實現。進入新世紀后,國際政治軍事斗爭的形勢日趨復雜,如何根據部隊需求快速研制出技術先進、成本低廉的電子設備已成為軍工制造業的當務之急。

電子科技集團第十四研究所是國內最大的從事電子產品尤其是雷達研究、設計、制造的專業研究所,承擔了我國多個型號雷達系統的研制任務。“八五”以來,十四所就在數字化設計方面開展了一系列預研與開發,以數字化工具為手段,努力實現雷達系統性能提高和快速響應,為全面提升軍工制造業研制水平提供了有力支持。

在多年的電子設備研發中,我們總結出電子產品相對于飛機、艦船、車輛等以機械為主的產品的若干特點:

(1)涉及學科眾多,且相互耦合

電子產品的研發過程涉及到機、電、磁、熱等多個不同學科,各學科之間耦合緊密,相互影響。尤其是機電耦合,如不加以仔細分析,將對整個系統產生顯著影響。

(2)種類繁多

隨著現代科技的高速發展,電子產品的種類也日趨繁多。以雷達為例,根據裝置平臺的不同(地面、艦載、機載、星載)、發射方式的不同(有源、無源)、掃描方式的不同(機掃、電掃),衍生出了成員眾多的家族。

(3)結構復雜

電子產品尤其是軍用電子產品通常工作空間非常有限,而環境非常惡劣。這就要求在很小的體積內實現多種功能,導致結構非常復雜。

(4)技術飛速發展,產品更新換代頻繁

電子學是目前發展最為迅速的學科之一,運行速度、集成度等核心參數以幾何級數的速度提高。技術高速發展帶來了產品更新速度加快,要求企業必須加快產品的研發速度才能不被市場拋下。

一、電子產品研發面臨的問題

經過多年電子產品的研發與經驗積累,中國電子科技集團十四所形成了一套符合自身特點、行之有效的研發體系。但是隨著科技的高速發展和裝備研制的加速,一些瓶頸開始凸現:

(1)缺乏多學科協同仿真

以往的研發工作中往往將各學科分開考慮,以單學科性能最優為目標,進行的仿真也只是單學科靜態仿真。這樣的研發沒有考慮各學科間的耦合,因而無法協調各學科性能,也無法模擬更真實的動態性能,難以達到產品總體性能最優。

(2)學科分工模糊

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。研發人員的個人經驗起著主導作用,導致產品的性能并不穩定。

(3)仿真門檻較高

電子產品的研發過程是電子、機械、液壓、控制、軟件等多學科交叉和協作的系統工程,因此開發過程中使用的仿真工具也各不相同。設計人員難以全部掌握,影響了仿真工具性能的充分發揮。

(4)軟件互不兼容

各異構仿真軟件尤其是電磁軟件與結構軟件間模型各異,數據格式互不兼容,必須手工進行模型轉換和數據交換。這樣不但耗費了設計人員的很大一部分時間和精力,而且容易出錯。

(5)知識經驗無法積累和使用

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

為突破以上研發瓶頸,我們與國內最大的CAE提供商安世亞太合作,針對電子產品的特點,在PERA Simulation平臺的基礎上,提出建立基于模塊化思想,仿真驅動,全所資源共享的“電子產品多學科協同開發平臺”(以下簡稱平臺)。

該平臺以電子產品典型模塊為對象,突破軟件集成、流程固化、數據管理與共享等關鍵技術,整合了我所仿真軟件資源,打通CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM各系統間接口,為協同仿真提供了支撐平臺,使不同學科、位于不同邏輯節點、基于不同計算機平臺的設計人員可采用不同建模方法建立混合異構層次化仿真模型,并在分布式環境上進行仿真與分析。

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,主要提供一個統一的用戶界面。設計人員在本界面內即可完成全部的設計和仿真工作,無需在各個軟件和系統間頻繁的切換界面和交換數據。

系統功能層為設計人員在用戶交互層的操作提供工具、技術和數據的支持,是本系統的主要組成部分,也是本系統的核心,又可以進一步劃分為功能模塊層,核心技術層和數據支持層三層。

功能模塊層包括各類典型模塊的快速開發子系統。每個子系統都可以完成快速建模,多學科快速仿真與優化以及相應模塊研發與仿真數據管理三大功能。

核心技術層集成了為實現以上功能的各項關鍵技術,包括模塊設計規則、多學科耦合解耦技術、多學科多目標優化技術、異構軟件集成技術等等。

數據支持層為功能實現和技術集成提供數據的支持,包括各種研發數據庫。

系統功能層為整個平臺提供了應用業務的支持,也是定制開發的重點,關系著整個系統的性能。

底層支持層是整個系統的基礎,包括PDM系統以及底層的高性能服務器、高速網絡、操作系統、后臺服務、分布式任務控制等。這些資源為整個系統提供了軟硬件的支持。

2.多學科協同仿真

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

(1)多場耦合動態仿真

如前文所述,電子產品的開發涉及到多個不同學科,學科之間耦合緊密。例如某種雷達在常溫靜態測試時一切正常,而在實戰環境中性能就大受影響。這就要求在研發時運用多場耦合解耦技術,建立符合電子產品學科特點的多學科研發流程,實現動態仿真。如圖2所示是運用解耦技術建立的某模塊多學科仿真流程,其研發過程中要進行電路、電磁兼容、熱、結構、振動、可靠性等多項仿真,各項仿真分析結果相互耦合和影響。必須合理安排不同仿真任務的次序,經過多次迭代后才能得到較符合實際的動態仿真結果。

(2) 流程固化與管理

為了解決企業仿真中“老人不想做,新人做不了”的情況。平臺根據各典型產品的研發特點,將產品研發的分析經驗進行積累和整理,固化成適當的產品研發流程,對研發過程中用到的各分析軟件(包括第三方CAE軟件和自行開發的軟件)和分析流程進行二次開發,定制了多學科仿真流程模板。設計人員只需根據模板提示操作,平臺自動在后臺調用相關工具并完成設置、仿真、顯示等一系列復雜工作。這樣普通設計人員只需經過簡單培訓就可以掌握常規產品的設計,而資深設計師可以將更多的精力集中到解決復雜技術問題中。如圖3即為某產品多學科仿真流程模板。

(3) 打通軟件接口

平臺利用軟件集成技術,打通了研發中使用的各仿真軟件間的數據接口。設計人員只需面對統一界面,關心與自己工作有關的部分,所有仿真軟件間數據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無損轉換。

三、結束語

電子產品多學科協同開發平臺的建立,不但提升了十四所產品開發過程中的仿真水平,而且發現并改革了現有研發模式、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、虛擬測試、整機仿真等功能都納入該平臺的體系,實現電子產品研制從下達任務、設計、制造、測試、直至產品交付的全壽命周期數字化,為滿足部隊新裝備多型號、快響應的要求奠定堅實的技術基礎。

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