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FMI标准在协同设计仿真中的应用

  一. 协同设计仿真面临的问题

  随着产品技术的发展,现代航空航天产品型号越来越复杂(见图一),其复杂性不仅体现在需求复杂、产品结构复杂、技术复杂、生产过程复杂,还体现在参与的专业学科越来越多、参与的人员机构越来越多、所采用的工程软件越来越多、不同种类的工程数据格式也越来越多。产品的复杂性往往决定着研制周期的长短、研制成本的高低,同时,产品越来越复杂,给产品研制过程管控、仿真数据管理带来了巨大的挑战。

 

 

  图一 协同设计仿真复杂性示意图

  在这种情况下,协同设计仿真应运而生,它依托信息技术、工程仿真技术、数据库技术,在企业内部网络上,构造一个信息化协同平台,实现复杂型号产品研制过程中的过程协同(包含操作步骤给的过程)、数据协同、工具协同、人员协同,达到降低复杂性、提升研制能力和全局管控能力的目标,其核心思想是以独立的信息系统为中心,在多个工程软件之间、多个机构人员之间、多个专业学科之间、多种格式数据模型之间搭起一座桥梁,实现仿真、工程师、工程软件、数据四者的协同一致。

  但是,在实际应用中,协同设计仿真面临一个最为核心的技术问题,即如何集成专业学科工程软件,实现数据共享,这个技术难题存在于以下几个方面:

  l CAD/CAE软件集成技术千差万别,集成难度大、周期长,成本高

  l 专业需求、设计思路千差万别,历史知识、经验难以直接复用

  l 工程软件数据格式千差万别,数据难以共享

  有没有一种规范的、统一的、标准的接口来解决这一问题,答案是有的,即

  FMI接口标准。

  二. FMI接口标准简介

  FMI(Functional Mockup Interface)接口标准是欧州发展信息技术计划(ITEA2)在MODELISAR项目中提出来的,目标是为了改善不同仿真软件拥有各自的标准接口而带来的联合仿真问题,最早应用在汽车行业,取得良好的效果,后逐渐形成国际标准并在其它行业推广应用,目前已展到2.0。

  基于FMI接口标准封装的仿真模型单元叫FMU,一个FMU能独立完成某个设

  计设计工作,它包含三个部分,即:

  l 设计仿真模型:解决个某设计仿真问题的模型,比如网格模型、计算模型等,由设计师、仿真工程师在工程软件导出FMU前完成

  l DLL程序或源代码:针对仿真模型完成仿真处理、计算的程序,一般采用C语言编写,在导出FMU时由工程软件自动生成

  l 模型参数XML描述文件:描述了FMU有哪些输入、输出参数及参数数据类型

  FMI接口标准在充分发挥设计仿真工程师主动能动性的基础上,以一种标准的接口展现设计仿真活动的参数是什么、如何控制设计仿真过程的执行,以及如何实现仿真活动的自动化。

  三. FMI接口标准在协同设计仿真产品DENOVA中的应用

  DENOVA是北京瑞风公司开发的一款协同设计仿真平台软件产品,它采用协同流程技术、FMI接口标准技术,来解决复杂型号产品研制过程中多学科工程软件集成问题、多专业联合仿真问题、仿真数据统一管控问题,提升研制进度和全局掌控能力。其中,FMI接口标准用来解决多专业多学科工程软件集成问题,并在此基础上,提出FMI通用扩展框架,来增强FMI能力。

  FMI接口标准的三个组成部分完全能满足目前协同设计仿真所面临的工程软

  件集成和数据共享问题:

  l 利用参数XML描述文件,可以实现不同学科、不同专业、不同工具软件之间的数据传递,包括数据传递关系定义、仿真过程中数据自动传递、仿真过程执行中的自动初始化和自动取回仿真结果,实现数据共享

  l 仿真模型是由设计师根据需求完成的,与具体的场景需求有关,不是通用的,适应能力非常强

  l DLL程序是由工程软件在导出FMU时自动生成的,它与仿真模型是一一对应的,当需求发生变更时,只需在设计完成后重新导出FMU即可

  l FMU即可以单独运行,也可以导入到支持FMI接口标准的工程软件中运行,单独运行时,可以直接集成到协同设计仿真平台中,下图二展示了协同设计仿真平台DENOVA产品中FMI通用扩展框架的设计思路

 

 

  图二 DENOVA产品中FMI通用扩展框架

  如图二所示,DENOVA产品中FMI通用扩展框架主要解决了以下几个重要问题:

  l FMU单元可自由注册到产品FMI扩展框架中,无需开发

  l 以FMU单元为节点搭建快速协同仿真流程(见图三)

  l 以图形化方式定义流程中各FMU单元的数据传递关系,并在执行中自动实现数据传递与共享

  l 以数据服务总线方式统一FMU之间的数据关联关系管控,简化数据管理

  l 提供基于FMU的执行监控工具,可以动态监控FMU流程执行情况

 

 

  图三 FMU单元协同流程中的应用

  说明:图三展示了各个FMU单元在协同流程中的应用方法,图中模型A、B、C对应FMU单元。

  实际上,支持FMI接口的工程软件协同难度不大,最大的难度是在实际应用中,有大量的工程软件、自研软件或算法并不支持FMI接口,有没有办法能解决这一问题呢?瑞风协同DENOVA产品部正在研究一种简化版的FMI接口标准方案,在不改变现在软件或算法的基础上、在遵循FMI接口标准的基础上,采用一种简单的、通用的办法来实现非标准工程软件、自研算法的集成,见图四。

 

 

  图四 非FMI接口软件集成方案

  四. 小结

  FMI接口标准发展迅速,并在国外得到了广泛应用。从2010年完成1.0标准,到2014年的2.0标准,仅用了四年多的时间,支持的工程软件达到七十多种,如ADMAS、AMESIM、CATIA、XFLOW、NI LABVIEW、MATLAB等,ANSYS、PTC等软件厂商已公开宣布将来要支持FMI,我们相信,随着时间的发展,FMI必将成为协同设计仿真中工程软件集成的主要解决方法。

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