CN101281553A - 汽车耐久性分布式仿真网格应用*** - Google Patents
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Abstract
一种计算机应用技术领域的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其中，网格应用环境模块集成底层分布式资源，为上层应用提供运行环境和资源访问标准接口；仿真模型模型库与自动组合模块，按照建模要求建立模型库，根据耐久性仿真规范，实现模型库中模型与整车模型的自动组合；多个模型作业分布式仿真监控模块，依据资源节点状态进行模型作业的调度，并实现计算过程信息监控；仿真结果分布式耐久性分析模块中的独立耐久性分析依据耐久性仿真规范和材料模型库，分析分布的仿真计算结果得到独立耐久性结果，综合耐久性分析依据耐久性仿真规范，分析分布的独立耐久性结果得到综合耐久性结果。本发明实现了汽车耐久性仿真的分布式应用，同时提高了仿真过程的自动程度和仿真效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机应用技术领域的***，具体是一种汽车耐久性分布式仿真网格应用***。
背景技术
在竞争激烈的汽车工业中，众多汽车制造商使用CAE(计算机辅助工程)技术来帮助进行汽车设计和开发，以缩短开发周期、降低开发成本，提高市场竞争力。汽车耐久性作为汽车的重要性能，利用CAE技术进行汽车耐久性的仿真也日益受到重视。汽车耐久性仿真的方法，一是综合运用多体动力学、静态线性有限元分析、耐久性分析等多学科知识进行仿真，这种方法没有考虑汽车模型的动态非线性等特征，且仿真过程涉及学科多，数据转换多，计算需求小。二是利用动态非线性有限元分析和耐久性分析进行仿真，这种方法减少了耐久性仿真的处理转换环节，充分考虑了汽车模型的动态非线性特征，但是需要更多的仿真计算资源，不过随着计算机软硬件的发展，为这种方法的使用提供了更好地支持。
经对现有技术的文献检索发现，Arthur Tang等人在6th InternationalLS-DYNA Users Conference，Detroit of USA，April 9～11，2000(第六届国际LS-DYNA用户会议)上发表了文章“Virtual Proving Ground-A CAE Tool forAutomotive Durability，Ride & Handling and NVH Applications”(虚拟试验场-一种汽车耐久性，平顺操控性和噪音振动舒适应用的计算机辅助分析工具)。该文论述了如何使用动态非线性有限元分析和耐久性分析方法进行汽车耐久性仿真，但是该文中只是对该应用方法的介绍，并没有涉及分布式环境中如何利用该方法进行耐久性仿真；同时文中在该方法的应用过程中需要众多的人工参与过程，如模型组合过程需要人工添加连接、接触等信息以构成整体仿真计算模型，耐久性结果分析需要人工参与，添加材料参数、路面参数等信息以综合分析得到耐久性结果，耐久性仿真效率不高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种汽车耐久性分布式仿真网格应用***，使其具有模块化、规范化、分布式的特点。该网格应用***，为汽车耐久性仿真整个过程提供规范化的分布式应用环境，对耐久性仿真中的可重用部件有限元模型进行模块化构建和自动组合，对仿真结果进行分布式耐久性分析处理，从而提高汽车制造商耐久性仿真的效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四部分：汽车耐久性仿真网格应用环境模块、耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块、多个模型作业分布式仿真监控模块、仿真结果分布式耐久性分析模块。汽车耐久性仿真网格应用环境模块集成异地分布的各种资源工具，通过标准接口供其它模块使用。耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块对整车模型和模型库中的模型进行自动组合，形成多个路面的仿真模型；多个模型作业分布式仿真监控模块将多个路面仿真模型分配到不同的计算资源中进行仿真计算，产生分布的多个路面的仿真计算结果；仿真结果分布式耐久性分析模块将分布的仿真计算结果进行独立耐久性分析和综合耐久性分析得到汽车耐久性结果。这些模块相互联系，前一模块产生的数据供后一模块使用，并且分别利用环境模块提供的web服务接口实现对底层资源和工具的使用。
所述汽车耐久性仿真网格应用环境模块为汽车耐久性仿真的整个过程提供规范化的分布式应用环境。汽车耐久性仿真过程包括模型建立、模型仿真、模型结果耐久性分析三部分，其中每部分的工作以及使用的资源与工具是异地分布的，该模块基于具有OGSA(开放网格服务架构)的网格中间件，为耐久性仿真每部分要使用的资源和工具建立标准web service接口，使之集成到网格应用***中，可以在远程通过具有XML(可扩展标识语言)编码格式的SOAP(简单对象访问协议)对它们进行控制，实现模块化仿真模型的自动组合、分布式仿真计算监控、分布式仿真结果耐久性分析处理，提供对汽车耐久性仿真全过程的分布式应用支持。
所述耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块根据汽车耐久性仿真的特点，将仿真模型进行模块化构建与自动组合。汽车耐久性仿真中重复使用的模型是材料参数、路面数字模型和轮胎数字模型，因此构建材料模型库，路面模型库和轮胎模型库，实现模型的重复使用。在耐久性仿真的模型建立阶段建立整车有限元模型，设计耐久性仿真规范，依据整车有限元模型和仿真规范自动选择路面模型和匹配的轮胎模型进行模型组合，形成多个不同路面的仿真模型。
所述多个模型作业分布式仿真监控模块，实现将多个模型作业提交到多个计算节点进行仿真计算，同时监控多个模型的仿真计算过程。它根据网格中间件对各个可用计算资源节点监控信息中的CPU个数，以及要进行仿真计算的作业数目和最低CPU个数要求，实现对多个模型作业的调度与计算过程监控。该模型输入信息是可用计算节点的CPU个数，模型建立阶段自动组合生成的多个仿真模型；输出信息是分布的多个模型的有限元仿真结果，以及求解过程中的信息文档。在模型作业在运行过程中，利用web service实现对计算过程监控。
所述仿真结果分布式耐久性分析模块主要完成分布式仿真计算结果的耐久性分析处理，包括两部分：各个分布式仿真结果的独立耐久性分析模块，各个独立耐久性结果的综合耐久性分析模块。
所述各个分布式仿真结果的独立耐久性分析模块根据模型建立阶段的耐久性试验规范中整车各个部件模型材料类型和材料模型库中的材料参数，将模型仿真计算阶段得到的分布计算结果进行耐久性分析，得到分布独立的耐久性结果。它应用java语言，通过具有XML编码格式的SOAP，实现对异地具有web service接口的耐久性仿真规范、材料模型库、耐久性分析工具的访问和控制，实现对分布式仿真结果的独立耐久性处理。它输入的是整车各个部件的材料参数与分布式仿真计算结果，输出的是分布独立的耐久性结果。
所述各个独立耐久性结果的综合耐久性分析模块根据模型建立阶段的耐久性试验规范中路面类型的种类和循环次数，将分布独立的耐久性结果综合起来进行耐久性分析，得到整体耐久性结果。它应用java语言，通过具有XML编码格式的SOAP，实现对异地具有web service接口的耐久性仿真规范、分布的独立耐久性结果、耐久性分析工具的访问和控制，实现对分布耐久性结果的综合耐久性分析。它输入的是耐久性试验的路面类型和循环次数，分布独立的耐久性结果，输出的是综合耐久性结果。
本发明汽车耐久性仿真网格应用***，利用网格计算技术将耐久性分析过程中异地分布的工作部门和人员、计算机软硬件资源组织起来，屏蔽底层工作环境，为汽车耐久性仿真分析提供统一的分布式应用环境。本发明可以将模块化的耐久性仿真模型自动组合，对仿真结果进行异地分布耐久性分析，同时对多个耐久性仿真分析工作流程进行控制，实现对异地分布资源的有效利用，提高耐久性仿真的自动执行能力，避免仿真过程中的重复人工工作，以及相关数据的不必要传递，提高了耐久性仿真过程的效率。
附图说明
图1本发明耐久性仿真网格应用***结构图；
图2本发明耐久性仿真工作流程图；
图3本发明耐久性模型组合过程图；
图4本发明仿真模型作业调度逻辑图；
图5本发明仿真结果耐久性分析图。
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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明的***结构图包括汽车耐久性仿真网格应用环境模块、耐久性仿真模型模型库与自动组合模块、多个模型作业分布式仿真监控模块、仿真结果分布式耐久性分析模块。汽车耐久性仿真网格应用环境模块集成异地分布的各种资源工具，通过标准接口供其它模块使用。耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块对整车模型和模型库中的模型进行自动组合，形成多个路面的仿真模型；多个模型作业分布式仿真监控模块将多个路面仿真模型分配到不同的计算资源中进行仿真计算，产生分布的多个路面的仿真计算结果；仿真结果分布式耐久性分析模块将分布的仿真计算结果进行独立耐久性分析和综合耐久性分析得到汽车耐久性结果。这些模块相互联系，前一模块产生的数据供后一模块使用，并且分别利用环境模块提供的web服务接口实现对底层资源和工具的使用。
汽车耐久性仿真网格应用环境模块为汽车耐久性仿真的整个过程提供规范化的分布式应用环境支持。该模块基于符合OGSA(开放网格服务架构)的网格中间件VEGA GOS(织女星网格，简称VEGA)建立，它将耐久性仿真过程中异地分布的底层资源通过web service集成起来，提供标准接口供其它应用模块使用。
如图2所示，本发明***的耐久性仿真工作流程分为三个阶段：模型建立、模型仿真计算、结果耐久性分析处理。整个耐久性仿真过程是顺序执行，执行方向如图2中箭头方向所示。在具体实施时，按照顺序先后涉及耐久性仿真模型模型库与自动组合模块、多个模型作业分布式仿真监控模块、仿真结果分布式耐久性分析模块，这些模块在运行过程中通过环境模块提供的web service接口与底层资源交互。
1.耐久性仿真模型模型库与自动组合模块包含模型库与自动组合功能。所述耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块按照建模要求，建立耐久性仿真的模型库：材料模型库、路面模型库、轮胎模型库，实现模型的重复使用，利用模型库中的模型，与进行耐久性仿真时建立的整车模型，根据耐久性仿真规范，实现模型自动组合，形成多个路面的汽车耐久性仿真模型。其中，模型库中的路面模型库、轮胎模型库为耐久性仿真提供可重用的标准模型，材料模型库为耐久性结果分析提供各种材料的相关参数。
为了正确进行模型自动组合，模型库中的轮胎模型、路面模型，以及耐久性仿真时建立的整车模型要遵循一定的建模标准：
a.路面模型、轮胎模型、整车模型中使用的编号各自在一定范围内，不能发生交叉，这些编号包括节点、单元、部件、材料、属性、接触、约束、连接、曲线等的标识ID。
b.路面模型库中的每种模型是一个部件，并且部件编号相同，以实现在轮胎模型中定义轮胎与路面的接触；
c.路面模型平面垂直于z轴，轮胎模型旋转轴线平行于y轴，整车模型前方平行于x轴正向；轮胎模型中轮子底部四个z轴坐标最低节点，路面模型中与轮胎中心点相接触的节点，轮胎模型与整车模型之间建立铰链连接的节点都要在各自的模型中通过注释标明，以实现模型组合时几何位置的一致。
同时耐久性仿真时设计的仿真规范要包括下列内容：选择的轮胎模型，选择的路面模型及循环次数，以及整车各个部件使用的材料类型。
模型自动组合使用web service接口和SOAP通信，使用JAVA语言实现逻辑处理。模型的自动组合根据耐久性仿真规范，从模型库选择轮胎和路面模型，和设计的整车模型组合成多个路面的仿真计算模型，实现逻辑如图3所示：首先读取耐久性仿真规范，获取要使用的轮胎模型和多个路面模型信息；接着从轮胎模型库中选择轮胎模型，将其模型数据放置到整车模型中，与整车模型连接在一起(分别搜索整车模型与轮胎模型中用于铰链连接的节点，获取它们的几何位置距离，移动轮胎模型，使得两个模型的铰链连接节点几何位置相互重合，在模型中建立铰链连接)；最后从路面模型库中分别选择多个路面模型，将它们的模型数据放置到汽车模型中，与汽车模型连接在一起(搜索汽车里轮胎中四个z轴坐标最低的节点，计算它们的几何中心点a的坐标，搜索路面模型中的接触点，确定它与汽车的几何位置距离，移动路面模型，使路面模型的接触点x、y坐标与a相同，z轴坐标比a小1mm)，形成多个路面的仿真计算模型。
2.多个模型作业分布式仿真监控模块完成模型作业调度和计算过程监控功能。模型作业调度是将多个路面仿真模型分配给多计算资源节点进行仿真计算，分配过程如图4所示，首先利用标准web service从计算资源节点获取它们的资源运行状态(可用的CPU个数)，假设共有k个计算节点有CPU可用，它们可用的CPU个数分别是Ci(i＝1，2，…，k)。接着根据要计算的模型数目m和模型最少需要的CPU个数Cmin来分配计算作业，分配原则是选择Ci≥Cmin的计算节点，记其个数为n，若m≤n，将模型作业分配给可用CPU个数最大的m个计算节点；若m≥n，先分配n个模型作业给n个计算节点，然后比较m-n与n的大小，如果m-n≤n，将模型作业分配给可用CPU个数最大的m-n个计算节点，否则就再分配n个模型作业给n个计算节点，依此循环，直到模型作业分配完毕为止。一般说来，路面模型的个数不超过10个，所以仿真模型作业的个数也不会超过10个。计算过程监控是查看在多计算资源节点进行计算的仿真作业的具体计算过程情况，它利用web service访问各个仿真作业的计算过程信息文档，将信息通过SOAP返回给用户。
3.仿真结果分布式耐久性分析模块实现对异地分布的多个路面仿真模型仿真计算结果的耐久性分析处理，产生整车模型的耐久性结果，即整车各部件的疲劳损伤，包括独立耐久性分析和综合耐久性分析两个模块。分析处理过程如图5所示：独立耐久性分析首先从耐久性仿真规范得到整车模型中各个部件的材料信息，以此从材料模型库中获取各个材料的耐久性分析参数；然后通过webservice，利用耐久性分析软件，依据各个部件的材料参数，对仿真结果进行耐久性分析，得到分布的独立耐久性结果，即在单独路面一次循环作用下，整车模型中各个部件的疲劳损伤程度。综合耐久性分析首先从耐久性仿真规范得到路面模型及循环次数信息；然后同样通过web service，利用耐久性分析软件，依据路面类型及循环次数，对独立耐久性结果进行分析，得到综合耐久性结果，即在各个路面(每种路面有自己的循环次数)的共同作用情况下，整车模型中各个部件的疲劳损伤结果。
本实施例构建了汽车耐久性仿真的分布式环境，集成了耐久性仿真中的各种资源和工具，使得工作人员在工作过程能够充分利用异地分布资源。其中模型自动组合、模型作业的并行分配与执行、仿真结果的独立耐久性分析等可以避免传统耐久性仿真中不必要的数据传递，降低网络资源与时间资源消耗，同时增加了这些过程的自动执行程度，提高了耐久性仿真的效率。
Claims (9)
1、一种汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征在于，包括：汽车耐久性仿真网格应用环境模块、耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块、多个模型作业分布式仿真监控模块、仿真结果分布式耐久性分析模块，其中：
所述汽车耐久性仿真网格应用环境模块集成异地分布的各种资源工具，通过标准接口供其它模块使用；
所述耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块对整车模型和模型库中的模型进行自动组合，形成多个路面的仿真模型；
所述多个模型作业分布式仿真监控模块将多个路面仿真模型分配到不同的计算资源中进行仿真计算，产生分布的多个路面的仿真计算结果；
所述仿真结果分布式耐久性分析模块将分布的仿真计算结果进行独立耐久性分析和综合耐久性分析得到汽车耐久性结果；
上述的这些模块相互联系，前一模块产生的数据供后一模块使用，并且分别利用环境模块提供的web服务接口实现对底层资源和工具的使用。
2、根据权利要求1所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述汽车耐久性仿真网格应用环境模块基于符合OGSA的网格中间件，为耐久性仿真过程中要使用的资源和工具建立标准web service接口，使之集成到网格应用***中，可在远程通过具有XML编码格式的SOAP对它们进行控制，实现模块化有限元仿真模型自动组合、分布式仿真计算调度与监控、分布式仿真结果耐久性分析处理，提供对汽车耐久性仿真全过程的分布式应用支持。
3、根据权利要求1所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块按照建模要求，建立耐久性仿真的模型库：材料模型库、路面模型库、轮胎模型库，实现模型的重复使用，利用模型库中的模型，与进行耐久性仿真时建立的整车模型，根据耐久性仿真规范，实现模型自动组合，形成多个路面的汽车耐久性仿真模型。
4、根据权利要求1或3所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块，其建立的耐久性仿真的模型库包含选择的轮胎模型，选择的路面模型及循环次数，以及整车各个部件使用的材料类型，模块化模型要遵循建模标准：
a.路面模型、轮胎模型、整车模型中使用的编号不能发生交叉，这些编号包括节点、单元、部件、材料、属性、接触、约束、连接、曲线的标识ID；
b.路面模型库中的每种模型是一个部件，并且部件编号相同；
c.路面模型平面垂直于z轴，轮胎模型旋转轴线平行于y轴，整车模型前进方向平行于x轴正向；轮胎模型中轮子底部四个z轴坐标最低节点，路面模型中与轮胎中心点相接触的节点，轮胎模型与整车模型之间建立铰链连接的节点都要在各自的模型中通过注释标明。
5、根据权利要求1或3所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述耐久性仿真模型的模型库与自动组合模块，其模型自动组合使用webservice接口和SOAP通信，使用JAVA语言实现逻辑处理：
首先读取耐久性仿真规范，获取要使用的轮胎模型和多个路面模型信息；
接着从轮胎模型库中选择轮胎模型，将其模型数据放置到整车模型中，与整车模型连接在一起，即分别搜索整车模型与轮胎模型中用于铰链连接的节点，获取它们的几何位置距离，移动轮胎模型，使得两个模型的铰链连接节点几何位置相互重合，在模型中建立铰链连接；
最后从路面模型库中分别选择多个路面模型，将它们的模型数据放置到汽车模型中，与汽车模型连接在一起，即搜索汽车里轮胎中四个z轴坐标最低的节点，计算它们的几何中心点a的坐标，搜索路面模型中的接触点，确定它与汽车的几何位置距离，移动路面模型，使路面模型的接触点x、y坐标与a相同，z轴坐标比a小1mm，形成多个用于仿真计算的组合模型。
6、根据权利要求1所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述多个模型作业分布式仿真监控模块根据网格中间件对各个可用计算资源节点监控信息中的CPU个数，以及要进行仿真计算的作业数目和最低CPU个数要求，实现对多个模型作业的调度与计算过程监控，该模型输入信息是可用计算节点的CPU个数，模型建立阶段自动组合生成的多个仿真模型，输出信息是分布的多个模型的有限元仿真结果，以及求解过程中的信息文档，在模型作业在运行过程中，利用web service实现对计算过程监控。
7、根据权利要求1所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述仿真结果分布式耐久性分析模块包括两部分：各个分布式仿真结果的独立耐久性分析模块，各个独立耐久性结果的综合耐久性分析模块，其中：
所述各个分布式仿真结果的独立耐久性分析模块根据模型建立阶段的耐久性试验规范中整车各个部件模型材料类型和材料模型库中的材料参数，将模型仿真计算阶段得到的分布计算结果进行耐久性分析，得到分布独立的耐久性结果，该模块输入的是整车各个部件的材料参数与分布式仿真计算结果，输出的是分布独立的耐久性结果；
所述各个独立耐久性结果的综合耐久性分析模块根据模型建立阶段的耐久性试验规范中路面类型的种类和循环次数，将分布独立的耐久性结果综合起来进行耐久性分析，得到整体耐久性结果，该模块输入的是耐久性试验的路面类型和循环次数，分布独立的耐久性结果，输出的是综合耐久性结果。
8、根据权利要求7所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述各个分布式仿真结果的独立耐久性分析模块应用java语言，通过具有XML编码格式的SOAP，实现对异地具有web service接口的耐久性仿真规范、材料模型库、耐久性分析工具的访问和控制，实现对分布式仿真结果的独立耐久性处理。
9、根据权利要求7所述的汽车耐久性分布式仿真网格应用***，其特征是，所述各个独立耐久性结果的综合耐久性分析模块应用java语言，通过具有XML编码格式的SOAP，实现对异地具有web service接口的耐久性仿真规范、分布的独立耐久性结果、耐久性分析工具的访问和控制，实现对分布耐久性结果的综合耐久性分析。
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