基于网格的汽车耐撞性计算机协同设计与仿真系统

摘要

一种基于网格的汽车耐撞性计算机协同设计与仿真系统，本发明自下向上分别为：资源层、网格中间件层、服务层和应用层：所述资源层包含并管理各种基础设施和软/硬件资源；所述网格中间件层建立在资源层基础上，并将封装和集成好的资源虚拟化，对服务层开放符合网格计算标准的资源调用接口，从而为服务层和应用层提供一个网格环境；所述服务层将中间件层虚拟化的资源，用Webservice技术封装资源的调用接口为网格服务；所述应用层采用网格技术和XML/WEB SERVICES技术，通过在网格用户界面中提供服务应用接口，实现对终端用户隐藏应用实现细节和资源信息，为汽车耐撞性协同设计和仿真提供图形化界面的支持和调用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机技术领域的仿真系统，特别是涉及一种基于网格的汽车耐撞性计算机协同设计与仿真系统。

背景技术

在汽车耐撞性设计领域，协同设计和仿真可以发挥投资少见效快的特点，以较少的投资快速地获得几种不同的设计方案及其验证。而且，随着全球化的发展，汽车整车生产商都必须与供应商合作，因此耐撞性设计往往是非线性的和互相依赖的。

经对现有技术的文献检索发现，Sylvie Mathelin等人在INTERNATIONALCONFERENCE ON ENGINEERING DESIGN ICED 05 MELBOURNE，AUGUST 15-18，2005(2005年在墨尔本召开的估计工程设计会议)上发表了文章“IMPROVINGCOLLABORATIVE DESIGN TOOLS IN AUTOMOTIVE INDUSTRY：A CASE STUDY“(改进汽车工业协同设计工具：案例研究)。该文中提及了通过CRP(CustomerRequirements Pilot，客户需求导航器)驱动汽车设计，基于项目存储(projectmemory)的方式实现信息的共享与协同，最后从全局结果中抽取与客户需求相对应的结果。该系统强调了信息在不同参与者之间的共享。然而在该系统中的共享是有限、不安全和静态的。同时没有提及如何实现设计模型的仿真验证。因此在汽车设计，特别是耐撞性设计中还难以得到广泛应用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种基于网格的汽车耐撞性计算机协同设计与仿真系统。本发明实现了采用网格计算分布仿真技术解决了汽车设计中的多学科、大规模和非线性计算问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，根据网格平台和运行环境的特点，本发明建立的面向汽车耐撞性计算机辅助协同设计和仿真系统，是以高性能计算机为核心，以计算网格为基础的远程、分布、异构的计算机集成架构。利用该系统，可以实现对汽车整车、部件的数字建模；实现对汽车在碰撞试验过程的数值模拟仿真；实现对仿真试验结果的可视化显示。本发明系统采用层次化和模块化体系，包括四层，自下向上分别为：资源层、网格中间件层、服务层和应用层：

所述资源层包含各种异构的协同设计和仿真的基础设施和软/硬件资源，如计算资源、存储资源、网络资源、软件资源和数据资源等。资源层是协同设计和仿真的基础的，也是整个系统的基础。资源层的主要功能是管理资源的发现、描述、定位、组织(注册)、分配、监测(资源信息获取)、更新和信息发布等。本发明结合网格计算技术，实现在资源集中管理下，各分散的资源具备最大自治性，同时能够独立或与其它资源协同完成任务的集成模式。此外，在基础设施与资源模型之间集成方面，提供一个即插即用的、开放式的集成框架，其能动态刷新每个个体资源的状态与属性。同时，个体资源可以对自己进行注册，并接受和处理来自其它资源的信息。

所述网格中间件层建立在资源层基础上，并将封装和集成好的资源虚拟化，对服务层开放符合网格计算标准的资源调用接口，从而为服务层和应用层提供一个网格环境。网格中间件层功能是在各种分布、异构的资源上为服务层的各种服务提供一个统一的网格服务容器。本发明系统根据汽车耐撞性设计的需求，采用通用网格中间件和WEB SERVICE技术，定义和开发共享信息模型与核心集成服务；基于B/S结构，采用XML的信息交换标准，根据合作伙伴的信任度，实现基于XML/Web的信息共享与应用界面的集成。最终在信息集成平台上，以透明的方式提供服务，包容各种分析服务，并允许各领域专家和服务提供商等终端用户在网格环境中运行这些服务。实现面向产品全生命周期的资源共享、集成和协同工作。

所述服务层将中间件层虚拟化的资源，用Web service技术封装资源的调用接口为网格服务。这样应用层就可以通过服务层调用底层的各种资源。服务层包含应用层中具体应用所需要的各种细粒度的具体服务。如任务分配与调度服务、项目管理服务、数据服务、知识服务、用户管理服务、监控服务，设计服务、仿真服务和显示结果服务等。这些网格服务是应用层中应用的基础，是组成应用的基本模块。

所述应用层位于整个体系的顶端，针对汽车耐撞性设计和仿真分析，采用网格技术和XML/WEB SERVICES技术，在服务层基础上，通过在网格用户界面中提供服务应用接口，实现对终端用户隐藏应用实现细节和资源信息，可以为汽车耐撞性协同设计和仿真提供图形化界面的支持和调用。

本发明应用网格架构集成、服务集成、资源管理和协同仿真等技术，在网格中间件基础上，建立面向汽车耐撞性计算机辅助协同设计与仿真网格。通过对虚拟协同环境中汽车设计和碰撞仿真资源的有效聚合形成一个动态的协同设计平台，提供用户统一的安全访问机制、巨大的计算能力、丰富的信息处理工具、可视化工具、容错工具等来达到信息的充分共享、数据的统一访问和安全管理等，以解决汽车耐撞性协同设计过程中所面临的设计信息安全共享、虚拟组织管理、协同仿真的实时监控及资源管理等问题。最终实现在汽车耐撞性设计、分析和试验等过程中，不同工程领域、不同部门、地理上分布的多个组织的协同。

汽车耐撞性协同设计与仿真系统的主要功能是：将目前已经成熟的汽车计算机辅助设计(汽车CAD)技术和计算机辅助工程(汽车CAE)技术与网格计算新技术相结合，利用网格系统平台，实现异地、远程、协同的面向汽车耐撞性的整车、零部件设计，以及数值碰撞模拟试验。

与现有技术相比，本发明建立的四层体系结构解决了汽车生产商、部件供应商及其合作伙伴之间，以及不同设计人员之间地理位置、机构或学科的限制，实现了以汽车耐撞性为目标的CAD/CAE/CAT多领域集成和多地点、多组织的集成。本发明通过只对参与者共享部分数据的方法，突破了以往汽车耐撞性协同设计过程中为保护新开发车型中的知识产权(如材料特性，模型建立假定等)，只能进行局部模型仿真的限制。在汽车生产商和他们的合作伙伴之间要建立信任机制，每个参与设计的人员都可以将其自己的设计放入全局共享的模型上进行面向汽车耐撞性设计的数值仿真。对比于局域模型，该方法能给出更真实的结果，而且需要更少的设计循环。基于以上研究特点，本发明实现了采用网格计算分布仿真技术解决汽车设计中的多学科、大规模和非线性计算问题。可以利用公共资源来解决单个企业由于缺乏硬件资源、软件资源和人力资源而不能解决的复杂系统的数字仿真问题。

附图说明

图1本发明结构框图

图2本发明工作流程图

图3本发明各角色主要功能与实施内容

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例利用网格计算技术和现有技术，实现跨地域全面的信息共享，各种资源有效的聚合与分散，以及对模型和数据进行有效的组织管理、异构交换和统一访问等。

针对分布仿真协同环境与网格技术的特点，采用如图1所示的体系结构。图1所示的网格基础设施是指各种仿真资源，如模型资源(包括实体系统模型、人的行为模型、环境模型等)、工具资源(如建模工具、可视化工具等)、数据资源、存储资源。网格通用组件指具有普适性的网格服务，如远程数据访问服务、协同调度服务、全局事件服务、安全服务等。网格通用组件的实现借鉴现有的成熟技术。仿真网格组件是仿真领域常用的通用服务组件，如碰撞仿真系统中都需要的数据管理、想定编辑、重演与分析工具等。在仿真网格中实现协同建模与协同仿真一体化设计，建模资源与仿真资源的一体化管理与共享；实现仿真网格组件的组装与运行；实现不同粒度模型、不同实时性仿真的需求。

如图1所示，本实施例结构分为四层：资源层、网格中间件层、服务层和应用层。

所述资源层包含了属于不同组织或部门的各种异构的可共享的资源，如高性能计算机、软件、网络等等。资源层是协同设计和仿真的基础的，也是整个系统的基础。资源层的主要功能是管理资源的发现、描述、定位、组织(注册)、分配、监测(资源信息获取)、更新和信息发布等。汽车耐撞性设计和仿真中的这些资源是动态的，可以随时撤出和加入，并具有高度的自治性。本实施例对资源管理的开发分为三个方面：建模、封装、管理和集成。资源的建模是协同设计的基础和依据。本实施例重点解决汽车设计和仿真系统的资源建模中可系列化、可重用性与可重组性要求，并具有良好的扩展能力。考虑到资源管理的特点和网格计算技术的要求，本实施例采用可扩展标记语言(XML)对制造资源信息进行建模和描述，并应用XML数据表现格式定义语言——扩展格式表单语言(XSL)，从不同视图中显示资源的数据。在资源模型的描述中，采用面向对象的思想通过逐级抽象的形式进行信息分类描述，首先定义一些简单的基类对象，再通过对象的派生、继承等方法建立更复杂的对象模型。资源的封装。在资源建模基础上，对系统中已有的分布、异构的设计资源和遗留系统进行封装，然后通过标准的网格服务接口与其它服务实现联结，并共同实现由架构提供的各项网络基础功能。本实施例采用WSDL(Web Service Description Language)规范对设计资源进行描述和封装的方法。首先，把设计资源的静态属性及动态属性抽象出来，描述成服务数据。为属性定义提供统一的规范，使服务和用户之间对服务描述没有歧义，为服务搜索和发现提供保障。然后，把服务接口和操作抽象出来，描述成WSDL文件，并实现接口。参照资源语义字典中的接口命名规范，采用WSDL规范描述制造资源服务的接口，包括对接口类型、操作、消息、端口和提供的相关服务的定义。

所述网格中间件层建立在资源层基础上，负责各种资源的管理、检测以及任务分派。此外，该层对资源按照服务层的需求对资源虚拟化，这样不仅可以方便用户使用，也可以保护资源不受未经授权的访问和使用。网格中间件层采用相关网格中间件、XML、Web Service、UDDI等技术和标准建立，对服务层开放符合网格计算标准的资源调用接口，从而为服务层和应用层提供一个网格环境。网格中间件层是一个开放式的架构，商业化软件，以及遗留系统都可以方便的加入和撤出。

所述服务层居于应用层和网格中间件层之间。该层用于将中间件层虚拟化的资源，用Web service技术封装为网格服务，并发布到汽车耐撞性设计与仿真网络环境上，提供相应的接口给应用层调用。服务层中的服务是对资源实现的包装，通过消息交换模式与其它资源或服务通信。把资源作为服务可以提高资源所有者对资源使用的控制能力。本实施例的分析服务集成是研究在汽车协同设计应用情况下，开发一种策略将工业仿真程序放置到使能网格分析服务中，从而使其能用在使能网格问题求解环境中；并设计一个分析服务通用框架，以满足工业终端用户需求。该工作集中于汽车碰撞仿真试验的需求，选择(而不是定义)适当的标准，并提供参考应用范例。基于相关技术如XML、SOAP、WSDL、UDDI、WS-Security等等，采用类似于WEB SERVICES的分析服务标准，将仿真代码用WEB SERVICES技术融合到分析服务中。

所述应用层居于整个结构的顶部，该层包含了汽车耐撞性设计和仿真的各种基本应用，如仿真计算、设计、用户管理、项目管理等。用户可以通过应用层的一个基于Web browser开发的网格用户界面访问和使用具体应用。通过服务层和网格中间件层，应用层实现了与资源“解耦”。具体的应用并不与特定的物理资源绑定，从而增加了系统的开放性、动态性和安全性。

以上所述资源层、网格中间件层、服务层和应用层信息调用关系为：用户通过“网格用户界面”进入汽车耐撞性协同设计与仿真系统，通过“网格用户界面”提供的各种应用，调用服务层中各项服务来完成工作。而服务层中的服务通过网格中间件层封装的资源接口，访问和调用资源层中各项资源，如计算资源。这种体系结构实现了各层之间的动态连接，特别是应用层和服务层对资源的动态绑定。资源可以根据需要自动的加入和撤除，而不影响应用和服务。从而实现了在此平台上建立的“汽车耐撞性协同设计和仿真”组织的动态性。

汽车耐撞性协同设计与仿真网格系统的运行环境如图2所示。整个系统环境由三类主要角色组成：整车生产商(简称OEM)、部件供应商(简称部件商)和服务提供方。整车商负责整车设计与分工；部件供应商负责汽车耐撞性相关部件的设计与仿真验证；服务提供方是整车商与部件商共同信任的第三方合作伙伴，其负责提供设计、仿真过程中所需的各种资源、服务以及基础网格虚拟环境。“汽车耐撞性协同设计与仿真”网格具体工作流程：

(1)在网格用户界面下，整车生产商(简称OEM)、部件供应商(简称部件商)和服务提供方通过应用层中的“用户管理”进入汽车耐撞性协同设计与仿真系统。此时“用户管理”调用的是对应于服务层中相关的“用户管理服务”。应用与服务的具体对应关系参见下表。表1

  应用层中的应用  对应的服务层中相关服务  用户管理  用户管理服务  项目管理  项目管理服务  任务分配与调度服务  数据服务  模型设计  设计服务  数据服务  碰撞仿真  任务分配与调度服务  数据服务  仿真服务  监控服务  结果处理  显示结果服务  知识服务  数据服务

(2)汽车整车开发商通过应用层中的“项目管理”启动汽车耐撞性设计项目。通过“数据服务”，输入三维建模软件建立整车和待设计部件(简称：部件)周围环境的几何模型；输入汽车有限元网格子模型以及计算模型：一个不含部件的整车装配模型(简称：整车装配模型)；一个仅包含周围部件环境模型的局部装配模型；(简称：局部装配模型)。其中，局部装配模型包含如下信息：单元类型；节点数；单元和材料号；载荷号；联结节点列表；接触列表等等；整车有限元模型包含所有分析需要的信息；特别是边界条件和载荷。部件商有权访问部件周围环境几何模型和局部装配有限元模型；

(3)汽车部件商调用“模型设计”应用，通过“数据服务”，部件商获得周围环境几何模型以设计部件的CAD模型；通过“设计服务”部件商设计部件，划分网格，生成有限元仿真计算文件，存贮到网格系统环境中(整车商无权访问)；

(4)服务提供方调用“碰撞仿真”应用，通过“数据服务”和“仿真服务”等，装配整车有限元模型和局部装配有限元模型，建立全局有限元仿真计算模型，并进行仿真计算，输出结果；通过“监控服务”部件商可以随时监控碰撞仿真计算的过程。

(5)各方调用“结果处理”应用，通过“数据服务”、显示结果服务和“知识服务”：部件商获得由计算资源服务方处理过的计算结果文件：部件仿真结果和部件周围环境仿真结果；整车商在得到部件商授权的情况下，也可以查看碰撞仿真的最终结果。

以上按设计和仿真流程介绍了各个组成部分之间的信息处理交互关系。表1描述了本实施例系统中各个主要应用与服务之间的对应关系。如图所示，同一个服务可以对应于不同的应用，这种设计不仅加强了系统的模块化设计，而且由于共享同一个服务，应用之间的信息交流和处理更方便。表1描述了本实施例系统中各个角色的主要功能，以及负责的主要步骤和内容。下面结合表1和图3详细分解应用层中具体应用和服务层中的服务的信息处理交互关系，以及负责的主要步骤和内容。

1.用户管理

对应服务：用户管理服务

负责管理系统中整车生产商、部件商和服务提供方等各方角色，用户认证，资源分配。根据用户角色共享各种数据和文件，从而在保证各自知识产权安全的情况下，实现最大限度的协同和共享。

2.项目管理

对应服务：项目管理服务、任务分配与调度服务和数据服务

项目管理负责管理一个项目中不同角色之间的协同，另一方面也管理同一角色同时参与的几个耐撞性项目的设计和仿真。根据角色不同提供项目中后续不同的应用和服务，如不同的模型存储和获取等。

3.模型设计

对应服务：设计服务和数据服务

模型设计一般只对部件设计商可用。通过“模型设计”中的服务，部件商获得周围环境几何模型以设计部件的CAD模型；部件商设计部件，划分网格，生成有限元仿真计算文件，存贮到网格系统环境中。

4.碰撞仿真

对应服务：任务分配与调度服务、数据服务、仿真服务和监控服务

设计完成后，部件商远程启动“碰撞仿真”应用，部件商远程进行整车模型和部件模型的装配，并对装配结果进行检查；如果装配出错，则重新对部件进行划分网格，建立部件有限元计算模型。装配完成后，启动仿真服务，并监控仿真过程。如果仿真出错，中止仿真；若多个方案，进行多轮计算，可以一次提交，使用排队系统；

5.结果处理

对应服务：显示结果服务、知识服务和数据服务

仿真完成后，启动“结果处理”中显示结果服务中的结果分拆：分拆整车仿真结果为部件仿真结果、部件环境仿真结果和整车仿真结果；分别将部件结果文件传输到相应部件商处；接到服务提供方分拆完成通知，部件商也启动“结果处理”，调用数据服务下载相应部件结果，调用显示结果服务，进行仿真结果检查。如结果满足要求，则通知整车商。类似地，整车商也调用“结果处理”应用，下载部件和整车仿真结果进行检查；如果不满意，发送通知给相关部件商，如果满意，则结束设计项目。