一种基于Workbench的仿真管理通用平台设计方法

雷静 金俊玲 彭名刚 徐汇

摘要：仿真管理通用平台设计方法是根据船舶设计仿真特点，在梳理现有各设计阶段流程的基础上，基于Ansys WorkBench，通过集成各类仿真软件工具，研制适用于船舶方案设计阶段、详细设计阶段的仿真管理平台，用于导通船舶设计各阶段仿真软件之间的数据流，并实现设计全过程仿真数据管理。

关键词：船舶设计；仿真管理；通用平台

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0169-03

1 引言

船舶设计包含总体、结构、流体、电磁等多专业，船舶设计仿真作为设计的重要支撑手段，主要用于解决多型船舶研制在方案设计阶段、技术设计阶段等阶段的专业性能估算和优化设计任务。目前船舶设计使用的仿真软件种类繁多，如ANSYS、PATRAN、NASTRAN、SYSNOISE、VA.ONE，Abaqus、HFSS等商用CAE软件，及各类自研软件。尽管仿真软件种类繁多，但在各专业在设计过程的流程化和数据管理方面又有共性。

本文提出一种适用于多专业的基于Workbench的仿真管理通用平台设计方法，用于解决通用CAE软件离散应用，联通各个工作环节，加强设计过程中人员沟通协同，提高设计效率低，缩短研发周期，促进自主设计和创新能力的提高。

2 船舶设计仿真特点

船舶设计仿真一般应用在各专业的方案设计和详细设计两个阶段，在仿真过程中需要进行大量的模型调整、网格调整、边界条件选取及求解设置等工作，此外在方案设计和详细设计过程中，每个阶段都会产生大量的数据，各项设计和仿真工作之间存在各种数据传递。

现有各专业仿真设计过程中，仿真工具软件各自独立，数据衔接主要依赖人工完成，无法满足不同软件间的数据自动传递需求。

因此需要对设计流程进行梳理，对设计工具进行灵活集成，对设计仿真过程数据进行集中、统一管理，满足数据的共享、管理和使用等应用需要，以减轻设计人员数据处理的工作量，提高设计分析工作的效率、精确度和可靠性。

2.1 方案设计阶段

方案设计阶段是对船舶各专业参数估算和性能评估的过程，主要工作是根据母型船各专业能参数和各设备性能参数，依据提出的性能要求，建立初步模型，针对初步模型进行各种专业性能估算。

该过程除通用CAE软件外，实际仿真设计工作中还存在自研程序繁多，应用方式、数据格式不统一等问题。

2.2 详细设计阶段

详细设计阶段是各专业性能详细计算过程，主要基于船舶结构模型和专业性能预报库建立仿真模型，从材料库中提取材料信息，对建立的模型进行有限元网格划分；从船舶各专业性能库、激励库中提取相关信息，作为边界条件施加在建立的有限元模型上；应用Ansys/Patran等商用软件进行有限元求解；提取Ansys/Patran有限元数据导入Sysnoise、FLUENT等软件中，实现专业性能精确分析。

详细设计完成后，获得各类详细专业性能指标，与试验结果进行对比分析，最终生成专业性能分析报告。

3 通用仿真管理平台设计

针对船舶各专业设计业务在方案设计和详细设计阶段的仿真应用需求，为提高专业数字化研发的效率和能力，支持实现船舶各专业仿真设计研发过程的协同工作，本文提出一种基于Ansys Workbench的通用仿真管理平台设计方法[1]。具体包括：

（1）通用仿真平台架构。

（2）系统集成开发环境。开发环境包括：各类设计工具集成方法仿真过程数据管理等。

（3）工具软件集成方法。本单位在此基础上定制开发了船舶声学仿真设计管理平台，投入实际工程应用[2]。

3.1 平台架构

仿真管理通用平台架构如图1所示，包含以下内容：

（1）基础支撑环境。以ANSYS Workbench的开放式开发框架和ANSYS EKM作为船舶各专业仿真设计管理平台的基础支撑环境。

（2）专业应用环境。通过配置集成各类专业仿真工具，实现船舶各专业方案设计、详细设计应用流程的规范化和可视化。

（3）数据管理系统。通过数据管理系统实现技术人员仿真协同过程中的数据区管理、数据结构树管理、数据对象操作、数据版本管理、专业基础数据管理、个人数据管理、公共数据管理、专业基础数据管理、符合信息系统保密测评要求的数据文件加密存储管理、三员管理、文件管理等。

（4）与外部系统接口。实现船舶各专业仿真管理平台与外部CAE软件接口、自研程序之间的应用集成、平台门户及安全管理、与高性能计算平台调度软件集成的接口。

3.2 系统开发环境

3.2.1 系统基础开发环境

通用仿真设计管理平台采用ANSYS Workbench作为系统基础开发环境（图2所示，为ANSYS Workbench基础框架），采用C#语言和插件开发技术（Addin）实现各类CAE软件工具、自研软件的集成和扩展。

3.2.2 数据管理

通过分析船舶各专业设计过程各阶段的输入输出模型和各类计算数据，对船舶各专业设计仿真过程中数据格式各异的关键技术问题，采用ANSYS EKM对CAE仿真软件间的数据接口进行二次开发，定义出规范的数据流，实现数据格式的自动转换和数据传递，实现仿真模型、输入输出记录、处理结果的存储和恢复（如图3所示）。

3.3 工具软件集成方法

工具软件集成功能主要实现专业仿真过程中使用到的商业软件（包含ANSYS、PATRAN、NASTRAN、SYSNOISE、VA.ONE）和自研软件的封装调用和数据传递。

在Workbench架构下集成Ansys、Patran、Sysnoise、VA.One等外部程序的主要接口，关联仿真前处理、計算、后处理的各类工具，实现流程集成，最终实现一个可用于工程仿真的多种仿真工具集成平台[3]。

工具集成是通過XML配置方式实现各种商业软件及自研软件的封装。以商业软件集成为例，软件集成针对Ansys、Patran、Va.One、Sysnoise、Actran、Virtual Lab，实现集成界面定义、模型导入、程序调用、数据传递和保存工程等常用功能。

使用过程是通过对商业软件XML配置文件进行解析（如图4所示），获取软件启动路径，以命令行方式打开商业软件，从上游获取模型文件，并注册相关的工程文件。

以某专业仿真设计间数据传递为例，仿真过程涉及Design Modeler、Ansys、Patran、Va.One、Sysnoise等软件。它们之间的数据传递关系及格式要求如图5所示，分别为：Ansys到Sysnoise、Ansys到Va.One、Patran到Sysnoise、Patran到VA.One、Design Modeler到ansys、Design Modeler到Patran。

4 结语

通过对船舶各专业设计过程中的仿真软件使用需求和数据管理特点的分析，本文提出适合各专业仿真管理的通用平台设计方法。本单位成功应用该方法设计、实施了一套适合声学专业协同仿真的仿真设计管理平台，验证采用该方法设计的仿真管理平台，集船舶各专业仿真设计的业务分析，工具集成、数据管理于一体，可有效提高船舶设计仿真的效率和数据管理的质量，进而提高各专业数字化研发能力，最终有力地保障船舶产品科研生产。

参考文献

[1]李范春.ANSYS Workbench设计建模与虚拟仿真[J].电子工业出版社，2011.

[2]买买提明.艾尼.ANSYS Workbench 14.0仿真技术与工程实践[J].清华大学出版社，2013.

[3]王国峰.Workbench的基础应用——流体仿真[J].国防工业出版社，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