MSC SimManager 新一代企业级仿真管理平台

虚拟产品开发（VPD）的概念及行业现状

VPD(Virtual Product Developing)为虚拟产品开发的英文头三个字母的缩写，是MSC.Software公司针对机械制造行业在产品开发、产品制造、供应链管理、协同开发、市场竞争和用户要求等的综合作用及对制造企业提出的更迫切和苛刻的要求下，所提出的切实可行的解决方案。

虚拟产品开发从阶段上看分为概念设计（总体设计）阶段和详细设计阶段，无论是概念设计（或称为总体、系统级设计阶段）还是详细设计阶段均包括三个方面之内容：1.构型（Form）、2.虚拟装配、干涉检查和结构布局（Fit，又称为数字化虚拟样机，即DMU），和3.功能或性能样机（Function Prototyping）三部分,简称3F。如图所示。

    在上述三个方面的内容中，涉及众多CAX软件的使用。目前国内外经多年对CAX等技术的广泛应用，取得了显著的效果，对进一步的发展方向亦达成了相对明确和一致的共识。基本具有如下三个方面：

l         以PLM（产品生命周期管理）战略管理整个产品生命周期

l         对应用CAD的设计过程和数据的PDM管理系统已相对成熟

l         对单点的仿真分析技术的掌握已达到一定深度和成熟度

虚拟产品开发仿真管理平台的提出

随着物理样机成本的不断攀升、虚拟样机成本的不断下降，虚拟产品开发被制造业大量采用，设计过程对仿真的依赖程度越来越高，仿真分析的复杂程度和数量不断提高，制造业中分析工程师的人数也急剧增加。

以汽车工业为例，在上世纪末20年的时间里，通过采用碰撞仿真技术，汽车平台车型的开发，碰撞试验的次数由240多次下降到了80多次，大大加速了汽车开发的周期。与此同时从事碰撞仿真的分析工程师人数量却急剧增加，今天，美国三大汽车公司中，每个公司每个工作日都有几十次甚至近百次的碰撞仿真计算，每个公司从事碰撞仿真工作的分析工程师人数达百人。如此庞大的团队，如此复杂的分析工作，如果没有有效的仿真流程管理，很难保证每个人的分析方法和分析结果的一致性，计算结果也就很难被用来作为设计评价和改进的依据。

据国外航空和汽车制造业的统计，每次仿真涉及到的各种文件和报告达100个，每次仿真平均产生1GB的数据，如果每天进行1次仿真计算，每年仿真涉及的文件数将达2万多个，每年产生的仿真数据将达200GB以上，而三大汽车公司每天仅碰撞仿真的次数就达百次，试想如此海量的仿真文件和数据如果没有有效的管理，如何查找？如何使用？又如何与试验结果进行快速对比和修正？

针对上面的要求而建立的虚拟产品开发系统实际上是在单点仿真技术层面之上的仿真管理平台。虚拟产品开发仿真管理平台是一个支持自上而下设计，自下而上综合验证过程的V字型系统。具体过程如下：总体（概念）方案设计完成并经过仿真分析后将技术要求和指标规范下达给子系统、零组件；零组件根据总体设计的技术指标和要求开展子系统、零组件的方案设计；每部分的子系统、零组件方案设计仿真分析优化后，总体设计汇同各子系统、零组件方案设计人员将各部分设计模型组装在一起，形成功能虚拟样机，进行联合仿真，验证样机整体性能。满足要求后，开展各子系统、零部件的详细工程设计。如图所示。

   仿真管理平台MSC SimManager将在上述V字型的开发流程中，对产品开发中的数据、流程、人员进行高效的管理，SimManager是MSC公司企业级解决方案SimEnterprise的主要组成部分。

基于MSC SimManager仿真管理平台的功能架构

基于MSC SimManager仿真管理平台功能架构以功能化驱动为标志，以数字化样机为体现，以促进产品创新研发为目的，通过EAI方式与其它企业信息化系统平台，如PDM系统等无缝集成，形成协同设计和多学科优化能力。基于SimManager虚拟产品开发仿真管理平台的架构如图所示。

MSC SimManager以虚拟产品开发为主轴，以基于B/S方式的架构，实现从总体设计到零组件设计这一V字形产品开发流程的集成框架环境，作为为一企业级（中心级、院所级）的仿真管理平台架构，使用人员（总师、型号总师、专业总师、项目经理、仿真分析工程师、设计工程师）以自己的角色、按照被系统赋予的权限和工作内容，在仿真管理平台参与相关的工作，包括Build(构建性能模型)，Test(分析测试，可以以虚拟仿真的方式，和物理试验的方式，或是两者的结合)，Review（评审，跨部门，跨地区、跨学科的联合快速评审，Improve（持续改进，包括，对工况自动对比，DOE，稳健性分析和多学科优化等），在仿真流程中可以方便地调用各中商用软件和自制软件，使用人员（特别是仿真分析人员和设计人员）还可以以客户端的方式在工作的客户端启动应用程序，交互地完成分析和设计工作。

使用人员在仿真管理平台中所完成的各项工作的中间结果和最终结果可以自动化地保存到SimManager数据库中，该数据库和其他企业信息化系统如PDM、ERP等可通过EAI（企业应用集成）或者SOA（面向服务架构）的方式进行集成。

基于MSC.SimManager仿真管理平台的功能和特点

-        基于Web访问的系统，采用B/S 架构：基于浏览器的B/S 架构是与目前以及今后的Internet应用方式相适应的先进的信息管理架构；具备保密性、安全性、易用性、可维护性、扩展性；使用人员工作的客户端无需进行额外的系统配置，只需通过浏览器登陆服务器即可方便地进行工作，不受时间地点的限制，这也大大减小了企业IT部门的维护工作量。图是航空发动机门户的IE界面。

-        与PDM系统无缝集成为设计分析一体化平台框架：基于EAI的与企业级其它信息系统如PDM等的无缝集成，仿真管理平台通过提供一个富于效率的协作平台用以在流程参与者之间共享仿真数据、信息和知识，以及将结果与PDM更加紧密的相连。这可以使：设计和评估模型保持一致，结论可以更快更直接的反馈到设计流程，促进设计改进（例如来自早期概念设计）更好的反馈到产品研发中的机制，在整个流程中CAE被提前使用从而促使真正的仿真驱动产品开发。

-        协同仿真的平台：由于不同部门或供应商需要交换模型或结果，在仿真流程中的协同越来越重要。这需要有一个合适的平台用于交换在VPD流程中产生的所有数据。基于分布式构架、采用标准的Web服务器，可在Windows、Unix、Linux的异构硬件平台上运行，为协同研发提供了可靠的保证，协同首先能够达到所有流程数据的方便访问，而且能够访问具有一致性的“最佳实践”流程中的服务和工具。最后，还要能够管理和组织所有合作伙伴之间的数据流。

-        数据管理：在仿真分析过程中，所有相关的数据自动存储在关系型数据库中，文件自动保存在文件仓库中，因此，仿真分析完成后，所有中间数据和结果数据的前后继承关系也完全确定下来，SimManager可以简单地通过点击鼠标对数据谱系关系进行追踪并可以通过组合条件在数据库中对数据进行搜索查询。

-        基于项目树、流程图的管理：SimManager可以将数据和分析仿真流程以非常直观的方式显示在界面上，如下图。使用人员可以方便的从项目树和流程图的方式进行自己的工作，也可以随时了解仿真流程的工作进度。

-        最佳工业实践的流程集成和规范化：内嵌基于标准化、模板化的快速模型构建与集成，包括模板化的载荷、材料、边界条件和部件模型库，综合组件模型库、材料库和载荷库及客户化的模型组模块和软件工具的开发与集成，达到快速模型构建的目的；并将企业的最佳实践封装在仿真流程之中。并且可用Web Services方式，管理和重用通过SimXpert或其它工具创建、发布和共享的专家知识——模版，实现企业级的知识共享和重用。同时，可内嵌业务标准、规范并根据其进行新设计方案的可行性验证。  

-        快速多方案、多工况对比能力：具备与多学科优化软件的完善Web Services接口，支持HPC、网格计算。诸如基于TS的自动多方案对比和流程批处理化模块可包括Robust Design的带概率分布输入参数的稳健性仿真分析，实现6-Sigma设计。下图显示对于汽车碰撞分析而言，可以一次性地提交多个设计方案并自动获得相关的性能指标，可以通过对性能指标的比较来判断更优的方案。

-        快速配置与客户化： 对于客户来讲时间意味着竞争力、市场和效益，成熟的仿真管理平台应该能够做到快速化搭建和配置。SimManager本身具有三层schema的架构，如下左图。其中Industry Portal Schema面向某个行业，如汽车行业，仿真管理平台的配置可以在行业共有特点的基础上，考虑具体客户专有特点快速地完成平台的搭建；快速配置还在于SimManager产品已具备和主流商用数据库（Oracle/DB2/SQL Server）、主流网络应用服务器（WebSphere、Tomcat）以及资源和负载管理软件（如Analysis Manager）的无缝连接，无需在这方面浪费时间

-        平台开放性: 基于MSC.SimManager仿真管理平台可以实现对仿真的全面管理，包括数据、流程和知识的管理。此平台基于面向服务架构（SOA），并提供Process Builder（流程搭建工具）以图形化拖拽方式快速搭建、调整业务流程。

-        报告自动生成：基于标准化、模板化、客户化的报告生成器，可以按客户的要求，定制并自动生成网络化的报告，且可以方便的发布到其它企业信息系统如PDM系统中去。

-        项目管理： SimManager可以根据客户需要的项目管理要求进行项目管理相关的配置，具有的功能包括：对项目进行人力资源配置、灵活界定职责范围、详细的权限分配体系、规范的质量管理流程等。

-        知识库的积累和利用：在总体设计阶段和详细设计阶段都有大量的设计参数变化、产品状态变化、材料参数变化、载荷边界条件的变化等等，需要进行大量的“What-If”分析和多学科平衡和优化。所有这些都以定制好的内嵌最佳实践的流程加以实现，且于流程相关的数据保留在SimManager的关系型数据库中，经数据挖掘、总结、抽取，形成一数字化工程研发的基于数据库的知识库，在后续产品研制中可直接得到利用，以提高设计质量。

基于MSC SimManager仿真管理平台给用户带来的收益

-        创新 创新对于VPD流程中获得性能优异的、不同的产品而言是至为关键的。通过使仿真流程方便、快捷地在开发早期运行更多的基于仿真的调研（被称为“front-loading”仿真），则高效率的VPD可以降低费用、缩短时间、减小风险。这是对传统设计的突破同时也是一项艰巨的挑战。

-        设计空间探索研究 探索研究的关键不仅仅是访问当前设计的能力，而且要具有访问设计空间所有设计以及产品所遇到的不同的工况条件的能力。这使得在早期就可以探究研究所有设计可能，以保证在产品所有可能的使用状况下具有最优的性能。一个高效的探索研究环境不但加速虚拟样机的建造过程，而且能够评估所有设计和载荷工况变量。因此，这个环境需要提供一种方法获得仿真流程并可重复使用。

-        管理 今天的分析师已经花费了大量的时间用于常规的数据管理和搜索以前建造的模型及结果数据，数据管理不成熟已经成为进一步充分利用仿真技术的一个主要不利因素。 SimManager将用户从繁重的数据管理中解放出来并自动对所有数据进行组织和索引，是扩大仿真使用的必要环节，并且数据谱系关系的追踪对于理解和解释仿真数据是十分必要的。

-        辅助设计有效地改善产品开发流程是提高产品性能的基本手段。其中及时的反馈是问题的关键，非常遗憾的是当前许多企业仍旧在设计完成后再进行仿真，这样造成仿真数据提交太晚而不能改进设计。当VPD仿真和设计能够做到无缝集成后，将会以快速的方式给设计人员提供反馈，以保证设计不断提高。为了保证在设计阶段使仿真发挥作用，模型要针对当前设计进行实时更新，所得结果和结论要以快速和一致的方式反馈给设计人员。在企业的PLM框架下，这需要连接诸如PDM系统等不同的PLM组件和仿真管理数据系统，并使其具有通知和签署的机制。MSC.SimManager可以设计为PLM框架下的一个组件，并可以以（EAI）的方式沟通PLM框架内企业系统之间的数据流，进而可以参与到企业范围的工作流中去。

-        提高效率 通常，利用MSC.SimManager开始的、直接的效益是减少分析师常规的、管理的工作量。客户业已显示可以达到超过50％的效率提高： 在MSC.SimManager上的投资仅仅是由于效率的提高，也可在部署后最初的18～24月内收回投资。客户曾经报告由于效率的提高，分析师能够完成比以前多2～3倍的仿真工作量。

-        模型和知识的共享和知识库的积累 MSC.SimManager通过提供对不同开发项目的数据、模型和结果的一致性访问而产生长期的、实质性的效益。这包括使分析师访问以前的知识和工作，从而加速当前的项目；分析师还能够通过挖掘数据以决定其关联性和趋势，并可以提供以前未有的结论。在体现产品开发能力的因素中，有两个是至关重要的，一是自己的开发流程和规范，一是凝聚了自己知识的数据库，MSC.SimManager可以通过将仿真的经验、知识、规范等纳入到仿真平台中，从而构建企业自己的专业化产品设计分析知识库。这对于企业在未来的市场竞争中保持快速反应能力和竞争优势是非常重要的。

MSC SimManager系统构成

MSC.Software仿真流程和数据管理系统由以下三部分构成，其中，软件和实施服务是密切相关的，系统运行部分比较独立，可以分开实施。

·         MSC SimManager软件

·         实施服务

·         系统运行平台

MSC SimManager软件

•         SimManager过程服务器（Process Server）Process Server涵盖SimManager的架构，核心代码等。包括Portal Server、Report Generator、Trade Study Conductor以及用于安装的Admin工具等，Process Server需要自己独立的License。

•         SimManager工具包（Portal Toolkit）开发和管理SimManager Portal的工具。如果客户自己需要作开发实施工作，则需要购买Toolkit。每个客户购买一个License，可支持多人进行开发实施工作。