机械工程设计中心与工作站应用

渔樵

机械工程设计中心与工作站应用！
前一阶段本栏目发表了一系列有关工作站产品的基础性知识文章，本期我们改从应用的角度来介绍如何在机械工程中的各方面使用工作站产品。
" A! ?" M2 L' r4 E　　一、 机械工程设计中心的基本架构
　　
% r. a3 S. A  d8 V/ t0 H# N　　现代产品设计中心所需要具备的服务功能越来越强大，传统的单纯CAD或者“甩图板” 已经远远不能满足当前全球一体化经济对企业带来的提高竞争力的迫切需要，现代产品开发模式已经从传统的线性开发流程，转向虚拟产品开发方式，从而大大提高产品开发的速度和质量（如下图所示）
7 A* R2 l, D) U* l1 t　　在虚拟产品开发模式下，由于采用了高性能的计算平台和响应的设计仿真软件，使得用户可以把概念设计、详细设计和设计优化完全放在计算机内实现，而且特别是由于采用了精确的数字模型对设计进行分析优化，可以省略大量的物理样机研制，直接在计算机内获得仿真试验结果并直接根据仿真试验结果来修改原设计，从而实现一个闭环的高效率设计流程。实际上，只有具备高精度仿真能力的设计环境，才能真正对产品开发的技术、经济、工艺指标实现有效的控制，从而开发出有竞争力的产品。
　　在这种虚拟产品开发过程中，产品设计是以数字样机的形式存在的，因而可以大大节约物理样机的研制成本并缩短试验时间，所以通常采用数字样机方式开发产品其完成周期在9－24个月之间，而如果采用传统的产品开发（只有CAD），这个过程可能长达24－72个月，这就是现代设计方式带来的巨大效益。
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' o; V( E5 O7 J. v' Q* f　　二、 机械工程设计中心的基本IT架构
　　
( v' ^1 }4 x% j  I4 r2 H2 c　　为了同新一代产品开发流程相配套，工程设计中心的基础IT结构在功能上必须作响应的调整，下图所示是工程设计中心的结构概要：
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　　（1）通用三维实体设计
　　
$ d" l8 y9 V8 J: D/ J- h　　这是整个工程设计中心的基础部分，主要是大量的通用三维设计平台，主要功能是完成各种交互式三维零部件设计和组装，主要的实现装备是三维可视化工作站。
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) Z" s5 x. X+ X5 \( j) U; Q　　（2）设计优化CAE和高级可视化仿真中心
　　
　　设计优化CAE和高级可视化仿真中心是产品开发的关键部分，这部分的主要功能是提供完整的数字化样机分析、仿真、优化环境，其中设计优化CAE部分要包括主流的工程分析CAE软件和高性能计算服务器，而高级可视化仿真中心主要提供高精度大尺寸的可视化环境，包括可以对多屏幕拼接的大模型显示屏幕，利用这种先进的工具，设计人员可以在不制成物理样机的情况下对产品设计的效果有确切的了解。
　　
　　（3）产品数据管理PDM
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" L' e" k5 y/ w" ]/ R$ D0 v; a8 J　　对于成熟的设计中心，所有的相关产品数据应该有统一的PDM环境进行管理，以便形成规范的技术资料维护、更新、设计数据重用等功能，减轻设计人员的数据档案管理压力，提高技术资料共享的方便性和安全性。这部分的主要实现环境是PDM数据库服务、文件服务器和大容量存储设备。
　　
　　三、 设计中心计算机平台的选择
　　1. 主流CAD/CAM三维设计工作站
　　这部分产品主要从事通用三维设计，通常以Intel架构的NT工作站为主，辅以一部分较高档的UNIX工作站，这是因为目前多数主流MCAD软件都能很好地在NT环境下运行，能满足大部分的需要，而UNIX工作站则用于要求较高的场合，视用户性质和应用需要不同，某些用户可能采用较多的UNIX工作站，如汽车、航空、船舶等，而部分主流软件如Catia，仍然推荐采用UNIX工作站。
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　　2. CAE解决方案
　　
- r4 j2 C% L8 C- Q  o; ]　　CAE是确保产品开发最终效果的关键，国外公司在这部分常常不惜成本，购买最优的CAE软件及其硬件平台。CAE软件通常要求很高性能的工作站或计算服务器，通常需要两个以上的处理器，有时甚至多达8、16、32乃至更多处理器的大型服务器，这方面比较典型的产品有HP的J6000工程计算服务器，N系列中级服务器和最新的"SuperDome"超级服务器。
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　　另外，随着CAE市场竞争的加剧和廉价的Linux工作站的出现，一些著名的CAE软件商如MSC开始推出基于Linux工作站集群的CAE软件版本，这种基于Linux工作站集群的CAE　　软件能在多台相对比较廉价的Linux工作站上进行计算，用户可以用多台Linux工作站替代一台大型服务器，可以节约以往需要购买大型机的大量资金。虽然目前基于Linux工作站集群的CAE软件能解决的问题尚有一定限制，但已经能给用户带来很大的效益。目前高性能的Linux工作站有HP的Visualize P系列Linux工作站，上面可以配备以前只有在高档Unix工作站上才具备的Visualize FX系列图形卡，而厂家预配置的Linux 集群（computing farm）则有HP的e-utilica。
　　
　　HP e-utilica 计算集群
; [% h6 f% G3 [, l　　3. 可视化中心解决方案
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1 L/ l* p+ w  e) i. P　　可视化中心是供设计人员进行产品设计浏览和评估用的重要手段，在无实物的数字样机开发（虚拟产品开放）中起十分关键的作用。利用高级的可视化手段，设计人员能在精度的显示设备上直观地检查产品设计的效果，发现产品的缺陷，模拟产品的实际物理特性和外观特性。
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　　可视化环境从用途而言，可分为个人用（桌面型）、小组用和大型沉浸式可视化环境。
　　
　　个人用可视化环境是用高档工作站连接大屏幕桌面显示设备如多屏CRT或LCD液晶显示器，为个别设计人员提供足够精度和设计模型浏览手段。
　　
5 a& z$ G' B5 M/ K　　小组用可视化中心通常也是利用高档工作站连接大型高分辨投影系统（宽度通常在1-3米），供多名设计人员共同开会浏览设计模型并进行技术讨论、实时修改设计等用途。
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& x% k7 n0 z# q3 ?! [! o" K　　大型沉浸式可视化环境，顾名思义，能提供一种给人身临其境感受的真实显示效果，通常用多台高档工作站连接多个大型屏幕并拼接成一个超大型的显示屏幕，其特点是对于特定的目标用户，能直接在屏幕上显示1:1大小的产品模型，如真实大小的汽车模型，或真实的飞机机舱等。沉浸式可视化环境在国外广泛用于产品设计中心的产品评估，以及邀请客户到可视化中心，直接面对1:1的模型提出定制修改意见，并直接显示修改后的产品模型，这样可以高效地决定产品修改和提高客户满意度。
　　
　　HP Visualize Center
　　
　　在目前，HP公司的Visualize Center具备从个人可视化系统到大型沉浸式可视化中心的完整可视化中心解决方案。
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　　3. PDM工程数据中心解决方案
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& e8 g1 D& C8 i8 ]　　PDM工程数据中心是成熟的产品设计中心的核心，管理一切企业的产品设计数据。通常PDM系统是基于一些主流的PDM平台，经用户进行二次开发和定制化后形成的，目前主流的PDM平台有SDRC的Metaphase、UG公司的I-Man等。从IT架构看，PDM中心的主要构成是由PDM数据库服务器和一部分工作组级PDM服务器构成的。
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7 `2 S0 {0 ]4 r3 ]: C　　PDM数据库中心的服务器需要具备高性能和高可用性，以及大容量数据的安全储存和备份能力。小型的PDM中心可以用中低档服务器承担，如HP的L系列，而通常大型企业或产品品种较多的设计中心，则要考虑更高性能的服务器双机集群，如HP的N系列，确保数据在任何故障情况下都不丢失并且能够访问。
　　
　　四、开放式的网上设计中心
　　
　　随着互联网的普及、经济全球化和新的设计理念的出现，传统的工程设计中心逐步从企业内部的封闭结构走向开放，主要变化有：
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: `' \% D/ X3 u, ^& H7 ^　　1. 设计人员由集中变成分散
: _3 O* R3 t4 j3 U8 P1 }+ J1 \　　大型企业的设计部门往往不再集中在一地，而是分散在各地，通过互联网相互交互数据和进行讨论。
　　
　　2. 计算资源由私有变为共享
　　大型企业开始逐步认识到控制IT资源投资的有效性，开始采纳“厚服务器”和“薄客户机”的计算结构，以便控制IT投资和提高IT资源的利用率。
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　　3. 开放式网上计算成为趋势
0 W+ q1 _) o9 I1 f　　随着互联网的普及应用，高效率的网上计算模式成为现实，用户已经可以在不拥有高档设备和软件的情况下通过租用方式利用计算资源，即通过ASP方式使用计算资源，大型企业也开始着手建立自己的内部ASP服务，目标是能使用户在任何时间、任何地点都能获得所需要的计算能力。目前已经出现了一些针对这部分用户的解决方案，如HP 的J6000 Computing Farm 和 e-utilica。
　　
* e, o. `" j. N" Z( h, Y　　4. 计算平台标准化
　　随着互联网普及和IT技术的成熟，当前的计算资源在硬件、网络、软件方面都呈现标准化的趋势，其中特别是硬件以Intel-HP开发的IA-64为基础、网络以TCP/IP互联网协议和Web技术、Java和XML等为规范，正在形成新的计算标准。
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" n, [  N7 m! z: w  }; D  @　　以上趋势使得今后的企业设计中心要进一步走向开放的网络计算，为设计人员提供更灵活自由的设计环境，建立类似ASP模式的用户环境和管理方法，在硬件和软件的配备上，除了性能、可靠性外，还要强调开放性、可管理性、安全性，在投资上向公共的后端计算服务器和海量存储甚至互联网数据中心（IDC）靠拢，在管理上转向逐步摆脱复杂的桌面系统管理，而更进一部转向全面IT资产管理。

7 }4 \9 T- j5 H. _1 S6 V摘自：CAD/CAM杂志