整车进排气系统仿真自动化平台设计与实现
文章来源：汽车NVH之家
发布时间：2021-04-06
为适应汽车工业发展的数字化、智能化、电气化和网联化的核心发展趋势，采用B/S架构，结合Apache/Tomcat框架结构和MySQL数据库系统，设计开发了整车进排气系统仿真自动化分析平台。
为适应汽车工业发展的数字化、智能化、电气化和网联化的核心发展趋势，采用B/S架构，结合Apache/Tomcat框架结构和MySQL数据库系统，设计开发了整车进排气系统仿真自动化分析平台。该平台可以通过网页界面与服务器进行信息交互，实现虚拟仿真全过程的自动化，包括生成体网格、边界条件设置、计算设置、后处理、数据存储，以及分析报告的生成和对比。平台全自动仿真和手动仿真的计算结果完全一致，且能节约55%的人力资源。
在汽车开发过程中，需要对进、排气2个系统进行很多轮次的虚拟仿真，而虚拟仿真流程复杂且每步都需要进行人工操作，会耗费大量的人力资源。常规的人工处理虚拟仿真技术已经无法很好地满足当前快速研发的需求和汽车工业的核心发展趋势。国内航空、计算机和建筑领域在近几年出现了一些和自动化平台相关的研究[1-5]。文献[2]中初步实现了航空领域的CFD软件的自动测试，文献[5]在信息技术领域对数据中心进行自动化部署。基于此，文章设计了整车进排气系统虚拟仿真自动化分析平台。该平台符合汽车行业的发展趋势，在保证产品开发质量的同时节约了开发过程中所耗费的大量人力资源，提高了开发效率。
1 平台方案设计
1.1 平台功能
文章设计的整车进排气系统虚拟仿真自动化分析平台（以下简称平台）主要对汽车进排气系统在开发过程中的虚拟仿真分析实现自动化，即输入起始文件之后自动生成分析报告并自动发邮件通知用户，用户可随时随地通过网页浏览并下载分析报告。
该平台中进气系统主要分析速度和压降2个方面；排气系统主要分析速度、压降和温度3个方面。用户在进行虚拟分析时，结合不同的情况会有不同的起始文件需求。本平台允许虚拟仿真分析的4种起始点分别为：面网格文件（*.hmascii）、体网格文件（*.msh）、CASE文件（*.cas）和Cas/Dat（*.cas/*.dat）文件，不同的输入形式都可以获得同样的分析结果。
本平台同时支持本地工作站计算和服务器计算2种计算方式。它会将用户所提交的虚拟仿真分析任务存入后台数据库，并对所有虚拟仿真分析任务进行统一管理，允许用户随时随地通过网页查找数据、查阅报告，且对不同的项目数据进行对比，形成固定格式的对比报告。
1.2 平台框架
本平台基于互联网技术搭建，平台部署在Linux服务器上，终端用户可通过本地PC上的网络浏览器访问平台，进行虚拟仿真分析。本平台的框架搭建分为专业仿真模块、基础资源系统模块和框架基础功能模块三部分，如图1所示。
专业仿真系统由各仿真计算模块构成，即整车进气和排气系统仿真模块，专业仿真模块都有专业的应用界面，引导用户快速完成仿真计算过程；基础资源系统主要是对各个专业模块进行后台数据的维护和保存，主要有车型平台、仿真材料、计算工况等基础库；框架基础功能模块包括系统管理、任务管理和个人工作台三部分，该模块已经考虑了后续专业仿真模块的可能扩展方向，采用统一标准，柔性设计，具有较强的兼容性。
1.3 执行流程
用户通过Web网页登陆进入平台后，选择所需要的系统及相应车型平台参数并创建分析任务，选择相应的计算起始点，之后上传相应的输入文件，设置相应的边界条件参数和计算参数，选择计算方式，最后提交任务。如果选择服务器端计算方式，则直接进行后续计算、后处理及自动生成报告，并通过邮件通知用户计算完成；如果选择本地工作站计算方式，则下载相关文件到用户本地电脑自动执行run.bat文件，后续直接自动进行计算和生成结果。计算完成后将结果数据通过网页再上传到服务器，会自动生成分析报告。
1.4 平台部署环境
本平台同时考虑了服务器和客户端2种计算情况。当用户创建完项目后，可选择在服务器进行计算，或者下载到用户的个人工作站进行计算。采用这种方式给予了用户更多的选择空间，同时也提高了个人工作站的资源利用效率。
服务器端部署的环境为：Linux Redhat6.5操作系统；Tomcat/Apache Web服务器；MySQL数据库系统；HTML/JAVA/CSS/SHELL开发语言；LiberOffice软件；Fluent18.0计算软件。服务器的硬件最低配置为：64 G内存，24个CPU核以及1 T的硬盘资源。
客户端的操作系统可以为WIN7或者WIN10，浏览器建议为IE11.0或者Google，目前考虑的最佳分辨率范围为1 600×900～1 920×1 200，其兼容了笔记本和工作站的分辨率范围。
2 数据库设计
MySQL是一种开放源码的关联数据库管理系统，采用标准化语言访问数据库，具备体积小、速度快等特点。基于以上特点，本平台采用MySQL作为后台数据库，对存储用户信息、角色权限、计算文件和结果文件等信息进行统一管理，一共有57张数据表，如图3所示。
1）用户信息表：主要包含用户账户、真实姓名、密码、电话、邮箱、所属部门、权限角色等信息，其中邮箱信息用于计算完成时通过邮箱通知用户。
2）车型平台信息列表：车型平台信息主要包含平台名称、车型名称、车型年份、发动机、变速箱、驱动形式、左右驾及项目节点共8个字段信息，其中平台名称和车型名称之间是相关联的。
3）任务信息表：主要包含任务ID、名称、所属模块、状态、用户、开始时间、结束时间、结果文件及log信息等。其中任务状态有已创建、已提交、计算中和已完成4种，计算过程的信息可以点击log文件进行查看。
4）进排气系统基础边界条件表：主要有进排气系统的体网格和面网格的边界条件设置。其中体网格主要包含了体网格类型和材料；面网格包含了进口边界条件、出口边界条件及壁面边界条件等设置。
5）权限角色表：本平台对每一个专业模块和基础数据库模块都进行了权限管理。只有当用户被赋予某个模块的管理员角色时，该用户才有权进行该模块的后台数据管理。
6）材料参数表：主要有固体材料参数表和流体材料参数表，分别记录了在进排气分析中所需要用到的所有材料的相关参数。
本平台通过标准的SQL语言，可以对各个数据表执行查询、添加、删除的操作。
3 网页界面设计
本平台基于IE浏览器登录，用户通过登录页面输入正确的用户名、密码和验证码后进入主界面。主界面的左侧为导航栏，右侧为导航栏相对应的页面显示区，如图4所示。左侧的导航栏主要有个人工作台、仿真应用系统、仿真任务管理、仿真资源管理、系统管理共五部分。点击每个导航按钮，可以进入各功能模块对应的主界面，每个部分的页面见3.1～3.5节。
3.1 个人工作台
个人工作台页面，如图4所示，主要由个人任务信息、任务统计信息和系统公告信息三部分组成。
1）个人任务信息：显示当前登陆用户提交且完成的最新的5条任务，点击查看结果可以跳转到分析任务的结果页面。
2）任务统计信息：显示起始和终止时间段内各个分类的任务数量，选择起止时间和分类种类后可查看任务数量。分类种类主要有计算状态（已创建、计算中、已终止和已完成）、计算方式（本地、服务器和PBS）和计算模块（整车进气系统和整车排气系统）3种。
3）系统公告信息：在当前用户的角色权限或者数据被更高级别的用户修改后，相关的信息会在该处显示，提示用户相关的更改信息。
3.2 仿真应用系统
仿真应用系统页面是各个专业分析模块的入口页面，用户根据被赋予的权限可以进入到相应的模块中。
当用户将鼠标定位到各个专业模块时，每个模块下面的说明会自动弹出，让用户对该专业模块有直观的了解。整车进排气系统仿真应用系统页面，如图5所示。若用户没有该模块的权限，点击该模块会提示没有权限进入。页面过5 s后会自动返回之前的页面。
点击底盘进气系统模块进入到该专业仿真模块，其完整的流程包括创建任务、体网格生成、边界条件设置、计算求解设置、计算结果显示5步。限于篇幅，文章只显示计算结果显示的页面，如图6所示。
点击底盘排气系统模块进入到该专业仿真模块，其完整的流程包括创建任务、体网格生成、材料模型设置、边界条件设置、计算求解设置、计算结果显示6步。限于篇幅，文章只显示计算结果显示的页面，如图7所示。
3.3 仿真任务管理
仿真任务管理页面对任务的处理有如下功能：复制、删除、停止、恢复、上传、刷新、搜索、分页条和任务显示，如图8所示。
复制：只复制任务数据，不复制计算结果，新复制的任务状态为已创建；删除：主要用于删除不必要的任务，已提交和已创建状态的任务不能删除；停止：计算中的任务可以点击停止按钮来停止任务；恢复：对已停止的任务点击恢复按钮可使任务重新开始计算；上传：当本地计算完成后，选择该任务并点击上传按钮，可以将本地的计算结果上传到服务器中，用于后处理和报告生成；刷新：更新所有的任务状态；搜索：在搜索框输入要搜索的内容，点击搜索对任务列表进行过滤，可以对任务ID、任务名称、所属模块、任务状态、计算方式及创建人进行搜索；分页条：每页显示的条目有5，10，20，30，50 条，共 5 种选择，且可以跳转到任意页面，点击相应的页面数据也可以跳转到对应的页面。
3.4 仿真资源管理
仿真资源管理是针对各个专业仿真模块所需要的后台数据进行管理。目前主要有车型平台库、仿真材料库和基础数据库，如图9所示。每个仿真资源库都支持在页面上进行数据的添加、删除和更新操作。这样便于管理员进行数据的管理和维护。
车型平台信息有平台名称、车型名称、车型年份、发动机名称、变速箱、驱动形式、左右驾、项目节点共8个字段。
仿真材料库是针对各个专业仿真模块所需要用到的材料进行管理。可以根据文件导入导出进行材料库的信息更新。当前材料库主要有流体材料和固体材料。流体材料参数主要有：材料编号、名称、密度计算方法、密度、比热容、导热系数和粘性系数；固体材料参数主要有：材料编号、材料名称、密度、比热容和导热系数。
基础数据管理按照每个专业仿真模块所涉及到零件的边界条件进行分类和管理，包括计算分析的体网格类型和面网格的边界条件类型和参数。
3.5 系统管理
系统管理是针对整个系统的用户角色和用户信息进行管理。本平台对于每个使用的系统都进行了权限的设置，根据用户使用权限的不同进行角色区分；用户管理是对于已建立的用户信息进行管理，主要管理的信息为用户账户、用户密码、确认密码、真实姓名、电话号码、电子邮箱、所属部门、用户角色信息，并上传用户头像。
4 平台应用
4.1 平台结果验证
本平台搭建完成之后，需要对计算出来的结果进行准确度校正，以保证平台自动化分析的结果和人工手动分析出来的结果一致。为此，文章对比了进气和排气系统的分析结果，限于篇幅，仅列出少部分零件结果，如表1所示。
在对比的分析工况中，平台和人工计算的起始文件（面网格）和计算输入都是一致的。从表1可以看出，平台分析得出的结果和人工手动分析的结果完全一致，说明本平台的分析结果是可靠的。
4.2 平台收益
整车进排气CAE分析流程主要有几何生成面网格、体网格生成、边界条件设置、机器计算、后处理及报告生成6个过程，其中的计算过程由机器完成，其余均需要手动介入，其各自的过程占整个过程的时间比例，如图10所示。本平台已经完成了需人工介入的5个过程的自动化，使其可全部由计算机完成，自动化后，人工所占的比例将由之前的80%降低至25%。
5 结论
本平台实现了从面网格到报告的全自动生成，部署在B/S架构，方便软件的安装和用户的使用，初步实现了虚拟仿真的移动办公。平台以用户的使用需求出发，页面设计和仿真模块划分清晰，用户操作简单便利。平台的计算结果与人工的结果完全一致，结果可靠，从而节约了人力资源，并便于数据统计和查询。平台创建了MySQL数据库表、管理平台，自动统计分析任务的相关数据，各仿真模块的分析数据互联互通，实现了虚拟仿真技术经验的传递并且为将来的大数据、智能计算、多学科互联优化的开发打下了基础。
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