数字化设计的发展与虚拟样机技术.doc

数字化设计的发展与虚拟样机技术发表时间：2008-4-8 尚建忠 梁科山 唐力 来源：e-works关键字：数字化设计 虚拟样机 协同仿真 信息化应用调查在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本首先简述了数字化设计的特点与发展历程，并指出当前数字化设计的发展处于虚拟样机的应用阶段。在此基础上，文章重点对虚拟样机涉及的三个关键技术，虚拟样机中过程/数据管理技术、协同仿真技术、多学科设计优化技术，进行了详细分析并给出了解决方案。1、引言 产品设计过程是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程。在传统设计模式下，设计信息一般是通过实物来传递的，这种方式效率低，成本高，周期长而且质量差，已经很难满足企业当前生存和发展的需要。为了能在竞争中处于有利位置，企业实现设计数字化势在必行。 与传统设计相比较，数字化设计更易于完成设计意图、修改设计错误、传递设计信息和共享设计数据。其从出现至今，经历三个大的阶段。目前研究、应用的热点之一虚拟样机正是其中之一。2、数字化设计 数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域，通过基于产品描述的数字化平台，建立数字化产品模型并在产品开发过程应用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。数字化设计具有以下两个显著优点： （1）减少设计过程中实物模型的制造。传统设计在产品研制中需经过反复多次的“样机生产-样机测试-修改设计”的过程，这不仅耗费物力、财力，还使得产品研制周期延长。数字化设计则在制造物理样机之前，针对数字化模型进行仿真分析与测试，可排除某些设计不合理性； （2）易于实现设计的并行化。相对与传统设计过程的串行化，数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。 数字化设计技术的发展历程可以大体上划分为三个阶段。 （1）CAx工具应用阶段。自上个世纪50年代起，各种CAx工具（CAD /CAE /CAM /CAT等）开始出现并逐步得到应用，标志着数字化设计的开始。 （2）并行工程应用阶段。并行工程于20世纪80年代提出，具体体现在PDM（产品数据管理）技术及DFx（如DFM、DFA等）技术在产品设计阶段的应用。并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术的支持下，将原来分别依次进行的工作在时间和空间上交叉、重叠，利用原有技术，吸收了计算机技术、信息技术的成果，成为产品数字化设计的重要手段和先进制造技术的基础。并行工程是利用现代信息技术对传统的产品开发方式的一种改进。典型的并行工作流程如图1所示。 （3）虚拟样机技术应用阶段。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是CAx/DFx建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。 虚拟样机技术在美国、德国、日本等发达国家已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段的工作过程，成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。 美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析采用了虚拟样机技术，使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，确保了最终产品一次接装成功。 Caterpillar 公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，使其产品成本低，性能更加优越。John Deere 公司利用虚拟样机技术解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题。 3 虚拟样机的关键技术 虚拟样机技术的关键技术主要涉及到数据/过程管理技术、多领域协同建模/仿真/评估技术、多学科设计优化技术等。 3.1数据/过程管理技术 虚拟样机系统特点表现在以下几个方面：（1）涉及的学科领域多，如机械、电子、软件和控制/动力学等学科领域；（2）由分布的、不同工具开发的、甚至是异构的子模型组成的模型联合体，如CAD 模型、功能和性能仿真模型等；（3）涉及到产品的全生命周期，从产品的需求分析和定义、概念设计、详细设计、生产制造、测试评估、使用、维护训练，乃至销毁等不同阶段；（4）应用范围广，虚拟样机可用于工程仿真系统、交战仿真系统、任务仿真系统、体系对抗仿真系统等。 因此，必须对上述的元素进行合理的组织和管理，实现产品整个开发过程中虚拟样机的数据集成和过程集成。 在虚拟样机数据/过程管理中，可借鉴产品数据管理的技术和管理经验，管理虚拟样机中的文档、仿真工具、工作流及人员。拓展后的典型的产品虚拟样机数据/过程管理系统如图2所示。该系统满足以下三个要求：（1）可支持不同领域、不同地区的专家、技术人员能协同工作；（2）可实现数据的共享和互操作；（3）能够集成不同环境下的应用系统。3.2协同仿真技术 目前在各学科已经出现了大量成熟的商用仿真软件，如ADAMS、ANSYS、MATLAB、EASY5等等，可对动力学、控制、液压等各个学科进行仿真分析。这些仿真软件被广泛应用到产品开发过程中，极大地提高了企业的产品设计能力。但另一方面，虽然现有的仿真工具可以有效辅助某个功能单元的设计任务，能够很好地解决大部分单学科的分析评估问题，却很难处理涉及多学科交互的复杂仿真问题，无法利用某一种仿真工具完成对多个学科的仿真。传统的做法是分别从单个学科的角度出发对复杂产品进行处理，将涉及其他学科的子系统加以简化甚至完全忽略。但由于复杂产品是一个统一的整体，各学科子系统之间有着不同程度的约束和交互。因此，如果只从某一个角度对其进行分析，忽略了学科之间的联系，势必将会造成系统整体性和相关性的丢失，降低仿真结果的可信度。 协同仿真技术可有效解决上述问题。协同仿真将面向不同学科的仿真工具结合起来构成统一的仿真系统，充分发挥仿真工具各自的优势，同时还可以加强不同领域开发人员之间的协调与合作。 协同仿真特点表现在以下几个方面：（1）涉及多个学科领域，由不同人员、不同工具的协同工作；（2）仿真模型有物理模型，也有用于性能仿真的数学模型；（3）仿真过程之间的耦合度较低；（4）仿真分析之间存在着信息协作关系，包括数据需求、信息共享等；（5）所用仿真工具软件多，如MatLab、Fluent、ADAMS、ANSYS、Nastran等。 协同仿真技术出现于20 世纪80 年代，美国国防部提出了先进分布仿真（ADS），将分散在各地的260个地面车辆仿真器用网络连接起来，进行协同作战任务的训练。美国空军实验室开展了协同企业环境（CEE）项目的研究，将先进分布建模与仿真技术、信息技术以及各领域工具集成到一个统一的框架中，支持不同学科之间信息和技术的共享和集成，提供跨学科的信息共享和决策支持机制，以减少品开发时间。目前，基于HLA的协同仿真技术成为虚拟样机技术的研究热点之一。HLA于1995 年提出，并在2000 年成为IEEE 标准。HLA将不同类型的仿真系统纳入到一个体系结构中，并支持仿真应用之间的互操作和重用性。 典型的协同仿真平台如图3所示，该平台是一个具备通用性、开放性和扩展性，支持异地协同工作的集成框架，可集成多学科领域涉及的设计仿真分析工具及模型库/数据库等系统,对协同仿真相关过程、数据、模型进行有效的管理，提供一个集成的协同建模、调试、仿真运行、仿真结果评估的一体化建模仿真环境。 3.3多学科设计优化技术 多学科设计优化（MDO）是一种通过充分探索并利用工程系统中各学科间相互作用的协调机制来设计复杂系统和子系统的方法论。它在设计过程中考虑各学科间的耦合作用，平衡各学科间的冲突，利用多学科优化方法与优化算法来寻求系统最优解，从而提高产品质量、缩短研制周期。 复杂产品的设计优化问题可能包括多个优化目标和分属不同学科的约束条件。现代的多学科设计优化技术为解决学科间的冲突，寻求系统的全局最优解提供了可行的技术途径。目前该技术在国外已经有了许多成功的案例，例如空中客车公司利用MDO 技术对A380 机翼进行优化，使飞机起飞质量减轻了1590公斤；GE 公司利用MDO 技术在两个月内完成GE90 涡扇发动机的改进设计，最终在保证性能的情况下使每台GE90 发动机质量减轻113公斤，成本降低25 万美元。此外，在第三代飞机F-16、F/ A-18EPF的改进以及第四代飞机F-22的设计中，均不同程度地采用了多学科技术，取得了较好的效果。 典型的基于虚拟样机的多学科优化平台如图4所示。该平台基于多学科并行设计思想，利用现有的支撑软件，依据初始设计方案进行数字化设计，通过引入专家系统来扩大数字化模型的参数提取和知识描述能力，基于商用软件接口，将现有的CAD/CAE 软件同多学科优化技术集成起来。利用