文/梅林涛

精益研发是围绕企业研发活动来展开的，而研发离不开协同仿真技术的支持；同时，协同仿真也是精益研发不可或缺的一部分。今天的仿真技术，已经由过去的单学科、单参数、事后验证、无协同的CAE，发展到了多学科、多参数、多场耦合、高性能计算的协同仿真环境，为企业的研发活动提供了更为广阔的空间。

作为精益研发平台的子平台，协同仿真平台（PERA.Simulation）将参与仿真过程的部门、人员、仿真工具、仿真模型、仿真数据、仿真流程、仿真项目等诸多方面协同起来，将多学科、多场、多参数的问题耦合起来进行仿真，由此可以获得比各个单项CAE更为综合、准确的产品性能指标，有效地提高了产品的技术含量。同时，对于成本敏感型企业，可以通过仿真优化产品结构和重量，实现等寿命设计，降低研发成本。

一、协同仿真在精益研发中的作用

企业产品研发是从客户需求域到功能域再到本身过程域的过程。也就是说，任何一款产品的研发，都是从需求分析开始，到概念设计、初步设计或方案设计，直到细节设计，一步步逐级展开。精益研发的主流程也是遵循这样的流程,即:客户需求域→功能域→本身过程域。如图1所示:

图 1  精益研发应用主流程

协同仿真的过程也遵循产品研发过程，它将指标、任务逐级分解到子系统、部件、零件，任务由不同部门和人员去执行。在研发过程中，企业会涉及到非常多的研发活动，而这些活动都是围绕企业对产品本身的各种指标展开，并扩展到精益研发主流程的各个阶段，分解到不同的人员、部门和专业。

从精益研发的主流程图上可以看到，仿真起重要的作用。企业通过仿真可以对产品性能进行优化，提高产品性能，多方案比较，缩短仿真周期，对创新的多种方案进行定量分析，从而加快企业创新速度。

精益研发是一种以精益为目标、以精益研发总线为统筹、以精益样机为载体的研发方法。精益研发总线，即以产品研发关键指标（性能、需求、质量、成本等）分解、分析和监控为特色的研发数据网络。下图是bat365中文官方网站公司提出的一种通过“信息化看板”来提升、表达和管理产品性能的新技术。

 
图 2 精益研发总线

精益研发总线包括成本总线、性能总线、质量总线、项目进度总线等，企业中不同部门、不同人员关注的指标也不同。比如需求。以飞机研制为例，总工关注的可能是最大作战半径是多少、性能如何、成本等等，然后会把这些指标分到不同的科室。具体到仿真工程师，则会关注应力是不是足够、启动性能是否满足、隐身特性是否满足等等问题。在具体的仿真过程中，同样会存在多种研发指标，这些指标也会逐级分解到各部件和零件，分解到不同部门、人员。而这种多种性能指标，尤其是指标的量化和优化都必须通过仿真的手段来完成。

在精益研发中，通过PERA.Simulation获取指标，继而获得围绕这些指标所产生的仿真任务，再把仿真得到的校核、验证、优化等指标汇总到企业的研发总线里，让企业不同部门、人员得到各自关注的指标。

精益研发协同仿真子平台

PERA.Simulation建立在精益研发平台基础上，利用仿真技术，实现项目管理、流程管理，数据管理、知识管理和性能优化。企业在研发过程中会遇到许多问题，例如CAD生成模型后怎么使用，CAE仿真的结果如何反馈给设计部门，如何与试验结果比对等等；同时，企业如何对大量的仿真知识进行积累、管理和重用……这些问题都可以通过PERA.Simulation来解决，它可以帮助企业通过技术和管理的方法，通过知识积累，帮助企业提高仿真效率，增强仿真水平，这也是提高企业核心竞争力的关键。

1、协同仿真目标

目前，CAD技术在趋同，而CAE技术则在求异。企业可以通过选择同一种CAD系统而达到设计工具的统一。而仿真涉及多学科，使用的工具也各有不同，结构、流体、电磁、成本、重量等都要通过不同的仿真工具计算实现。没有一种仿真系统可以包打天下，每种工具都有其无法替代的价值。

为了解决异构和协同问题，供应商们在协同技术开发时都无一例外地围绕仿真技术展开，同时兼顾设计技术和仿真技术的互动性。PERA.Simulation就是通过集成手段，将企业“信息孤岛”协同起来，包括CAD和CAE的各种工具，甚至OA、PDM等，同时将数据库管理系统、人员集成和协同起来，从而帮助企业增强仿真能力，提高产品性能，降低成本，提高质量，进而加快企业创新实践。这就是PERA.Simulation的目标。通过集成的手段，协同与仿真相关的部门、人员、项目、流程、学科、模型、数据、知识，就构成了协同仿真平台的所有要素。

2、协同仿真平台功能

当前我国制造业面临诸多挑战，大部分产品基本上是拷贝、抄袭和模仿，缺乏自主产权。要想实现从“中国制造”向“中国创造”的转变，必须要创新，而创新离不开仿真技术的支撑，必须通过仿真技术提高企业研发能力。在PERA.Simulation中，就提供了支撑企业创新研发的技术手段和管理手段。下面，让我们看一下PERA.Simulation的主要功能。

 仿真流程管理

目前，产品研发的驱动模式已经发生了质的变化——从“设计驱动”到“仿真驱动”。从客户需求到概念设计、方案设计甚至到详细设计，在整个产品生命周期中，有非常多的仿真任务，需要对这些仿真任务进行管理。首先要从流程上进行梳理。仿真流程包括仿真过程中多学科、多部门、多人员参加而产生的各种关系，如上下游关系、串行或并行关系、仿真过程的数据流、仿真项目的状态等。

在产品研发过程中，通常是一个主流程和多个辅流程在同时执行。这些多学科工具和多个辅流程都在关注产品的各项指标，以确认产品的所有指标都满足要求。有时某项指标的计算还需要其他学科或辅流程的计算结果作为输入。这就是整个设计理念的数据流，只有清晰的表达，才能对企业的研发流程进行梳理，而不仅仅是一个先后顺序的问题。企业要把它定义的非常清楚，才能保证仿真效率和质量，从而映射到产品的质量和成本中去。

流程梳理完后，下一项重要任务就是仿真进度管理。企业到底有多少仿真项目在进行？仿真项目现在处于什么状态？整体计划是什么？企业的软硬件资源、仿真工程师够不够等都要进行管理与监控。事实上仿真管理就是仿真项目化。

 仿真技术集成

通过技术集成，可以协调产品研发中的数据流、模型与工具，集成平台可以实现复杂产品研发的多学科联合性能仿真与优化，在获得优秀的产品性能与质量的同时，减少或简化实验数量。通过集成各类CAX工具，建立模型与工具间的关联，打通各类模型的接口，实现模型间的参数互动；通过集成多学科耦合分析，实现各学科联合性能的仿真与优化，并且支持自研软件和工具的集成。

 多学科优化

协同仿真平台可以对产品进行性能优化，优化是产品竞争力的体现。多学科优化是仿真技术的提升，比如说重量最小化、成本最低化、性能最优化等，有利于实现产品精益化。

多学科优化尤其在企业自主创新中发挥着非常重要的作用。比如航空、航天、船舶等行业，很多时候不是一个学科的问题。强度上满足了，但可能造成飞机太重，飞不起来，或飞起来很费燃料，机动性能很差，或运输量会降低。概念设计决定整个产品性能的70%-80%，在概念设计阶段进行多学科优化可以极大提升研发质量和效率。也正因为此，国内企业越来越注重优化技术以及稳健性分析等，这些都属于协同仿真平台所提供的多学科优化技术范畴，能够有效地帮助企业实现产品性能的优化。

 仿真数据管理 

企业在进行仿真的过程中会产生大量的仿真数据，这些数据存放在哪里？协同仿真平台提供了非常完备的数据管理系统，解决企业仿真系统数据管理的问题。

在协同仿真平台中，每个项目都有一个流程，流程中有很多节点，每个节点都有输出输入，可以对每个节点进行详细的管理。比如强度的仿真结果。用户关心的是某个工况或组合工况的应力是多大，有多少单元等都需要管理起来。在协同仿真平台中，仿真按照项目来管理，一个产品可能产生很多的仿真项目，平台提供了按照产品结构树对仿真数据进行等多种视图的BOE（Bill Of Engineering）的管理手段。

 仿真知识管理

在PERA.Simulation中，仿真的知识有两类：第一类是对仿真数据管理系统的数据进行挖掘，第二类是根据企业或行业的产品特点，封装仿真知识的各个细节，形成仿真模板，做到快速仿真系统。

企业经常会遇到这样的难题，一个工程师调走了，新工程师对很多数据都不清楚，无法立即开展工作。利用PERA.Simulation可以方便地解决。首先，我们会把仿真的数据存储管理起来。但如果只是简单的存储，那只是一个仓库。因为数据里包含了大量的知识和经验，比如按照零件部件、分析类型、应力范围、重量范围、或者定制企业需要的各种组合搜索来相关数据。通过PERA.Simulation对仿真数据进行管理，我们就可以看到十年前甚至更久的仿真知识，有利于知识的重用。

此外，PERA.Simulation根据行业或企业的特点、产品的特点，通过封装与仿真有关的所有细节，包括行业标准的选用、材料选取、力学模型、几何模型、有限元模型、的转换规则、模型简化规则、网格划分原则、载荷施加原则、工况以及组合规则、评定规则、报告模板等等，把这些封装到模板中，形成仿真模板，可以针对产品的特点，做到“傻瓜式”的快速仿真，还可以使用户通过简单的交互就能完成仿真任务。

3、协同仿真平台工作模式

首先，技术管理人员根据指标和任务进行仿真任务梳理和项目定制，产生相关的流程模板，放在知识库中。如果知识库已经存有该模板，我们可以直接重用。对技术人员来讲，会接到一些任务，这些任务中会有简单的校核任务、WHAT IF 分析、多方案比较、单学科或多学科优化等任务类型。这些不同的仿真任务会产生大量的数据，这些数据都会形成一个列表，这些数据都有关联关系，PERA.Simulation通过视图的方式对数据进行管理。而这些数据里面包还了很多的仿真知识，这些知识也可以被很好的管理并重用。

图 3协同仿真工作过程

总结

针对不同行业的企业做了非常多的项目实施，我们非常清楚企业想要什么，最头疼的是什么。因此，PERA.Simulation平台是在客户认可的基础上推出的有针对性的平台。我们的目标是帮助企业提高研发能力、仿真能力，做到协同仿真甚至是精益仿真。

归根结底，协同仿真平台技术源自于企业实践，正是经过这些来自企业实践的锤炼，才催生了协同仿真技术的诞生，可以说，企业的发展需要协同仿真技术，而协同仿真技术更需企业的应用实践，二者是相辅相成的。因此，协同仿真技术必将回归企业实践，接受实践的检验，并在实践中不断完善和升华。