复杂产品虚拟样机工程技术研究与应用65.ppt

复杂产品虚拟样机工程技术研究与应用,北京仿真中心,内容,一、引言二、复杂产品虚拟样机工程三、初步应用与实践,一、引言,1、复杂产品2、“集成、协同制造”的需求3、复杂产品集成制造系统,1.复杂产品,是这样一类产品：客户需求复杂系统组成复杂产品技术复杂制造过程复杂试验维护复杂项目管理复杂工作环境复杂典型复杂产品：航天器、飞机、汽车、兵器、船舶、复杂机电产品等,复杂产品,基于复杂产品特点，现有的产品开发方法、技术手段与科研环境不能满足复杂产品研制的需求,例如：复杂产品的设计如多学科综合优化设计如复杂指标、复杂环境下复杂产品的立项论证与评估复杂产品的试验与验证如综合测试、试验复杂产品的生产与工艺复杂产品企业的经营管理如全生命周期质量;如多项目、多目标条件下复杂产品科研项目的综合管理集成与协同各类企业间的设计、加工生产、管理系统集成优化与大协作技术等。,2.“集成、协同制造”的需求,21世纪制造企业面临的挑战：,21世纪制造业面临的新形势知识-技术-产品的更新周期越来越短；客户对产品性能、价格和质量的要求越来越高；产品T/Q/C/S竞争加剧；全球化的协同制造与剧烈竞争；产品知识、技术含量不断增高；实现绿色制造的呼声越来越高等。先进制造技术与应用发展迅速。,国外制造技术发展概况各国对制造技术的重视,亚洲：日本：智能制造系统(IMS)计划韩国：高级先进技术国家计划（G7计划）网络化韩国21世纪中国：国家863计划CIMS主题,欧洲：尤里卡计划(EUREKA)信息技术研究发展战略计划(ESPRIT)第四届框架研究计划第五届框架研究计划德国制造2000计划,美国：美国国家关键技术报告先进制造技术计划敏捷制造使能技术(TEAM)研究战略计划敏捷制造与制造技术计划国家工业信息基础设施协议NIIIP美国俄罗斯虚拟企业网(RA-VEN),国外制造技术发展概况制造技术发展趋势,（1）以信息化为核心的“集成化、数字化、虚拟化、网络化、智能化”产品信息化和数字化产品设计、生产、管理过程及其集成的信息化集成化：信息集成、设计、生产、管理的过程集成、企业间集成、人/经营管理/技术的集成数字化：数字化设计、生产与管理技术虚拟化：虚拟现实与仿真技术应用网络化：基于各类网络的协同设计、生产与管理技术智能化：人工智能及其在制造中的应用,国外制造技术发展概况制造技术发展趋势,（2）高技术化-例如微加工成为常规性制造技术光制造技术（如光加工、光化学加工、光电加工）生物加工和为生物技术提供仪器设备纳米制造技术机械制造与化工制造融合微/宏尺度可控和复合表面工程技术,国外制造技术发展概况制造技术发展趋势,（3）绿色制造-例如再制造无废弃物制造合理开采和利用自然资源、从源头防止污染和破坏生态环境产品生命周期全过程活动的环保废旧产品的最大化合理利用。,（4）极端制造技术将成为重要领域。极端制造是指在极端条件下，制造极端尺度或极高功能的器件和功能系统。集中表现在微细制造、超精密制造、巨系统制造和强场制造。以大型金属构件塑性成型制造能力为例，二战以后美、俄、法等国建造了一批4.5到7.5万吨的巨型水压机，从而迅速提高了大型飞机制造能力和洲际运载能力。,国外制造技术发展概况制造技术发展趋势,我国一系列“从制造大国向制造强国发展的计划”,国家中长期科技发展规划制造业发展科技问题专题制造业信息化战略高技术与高新技术产业化专题信息高技术及其应用国防科科技工业中长期发展规划发展重点军工制造业数字化关键技术先进试验测试技术实施重大科技工程军工制造数字化工程虚拟试验环境科技工程“十五”、“十一五”国家科技部863制造业信息化工程总装“十五”、“十一五”规划先进制造SBA支撑环境及其示范工程体系对抗仿真系统,3.复杂产品集成制造系统,复杂产品集成制造系统：是一种基于先进集成制造理念构成的数字化、虚拟化、网络化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统。理念内涵：以信息（采集、传递、加工、处理、应用）技术为核心，将信息技术、建模与仿真技术、现代管理技术、设计与生产技术、系统工程技术及产品有关的专业技术综合运用于产品研制的全系统、全生命周期，通过实施企业（或集团）的产品设计/生产/管理/试验领域及其全企业集成的信息化，使企业（或集团）产品研制全系统、全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术（三要素）及人流、信息流、物流、价值流、知识流（五流）集成优化，进而改善企业（或集团）产品(P)及其开发时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境清洁（E）和知识含量（K），提高企业（或集团）的敏捷性、柔性及健壮性，以达到增强企业（或集团）的市场竞争能力，为企业（或集团）实现跨越式发展作出重要贡献的目标。,必须指出，这里提到的“制造”是“大制造”，它包括产品从“需求分析定义到报废全生命周期的全部活动”。,复杂产品集成制造系统的技术体系,复杂产品集成制造系统技术体系,系统总体技术,产品设计技术,加工生产与装备技术,经营管理与决策系统技术,试验技术,系统支撑环境技术,系统总体运营模式；系统集成方法论；系统集成技术；标准化技术；企业建模和仿真技术及系统开发与实施等技术。,网络、数据库、集成平台/框架，计算机辅助软件工程，PDM/PLM，计算机支持协同工作，人/机接口及“网格”支撑环境等技术。,CAX/DFX技术；SBD；多学科虚拟样机设计；逆向工程；绿色设计；网络化设计；智能设计及面向大规模定制生产模式的设计等技术。,数控机床；数控加工中心；工业机器人；FMC；FMS；VM；可重组机器/装备及RPM（快速成形制造）等技术。,MIS；OA；MRP、SCM，CRM，ERP,DEM，项目管理、电子商务、质量管理等技术。,单件例行试验；整机组件试验；系统综合/匹配试验；靶场合练/飞行试验技术,在红色部分有新的内容,它由项目主管企业、协作企业、供应商和客户等单个企业集成制造系统的集群组成集群“大系统”,复杂产品集成制造系统（单个）由四个应用分系统和一个支撑分系统组成：,复杂产品集成制造系统中值得关注的几项技术,1系统总体运营模式2复杂产品虚拟样机工程3集成制造系统的经营管理与决策技术4虚拟试验技术5制造执行系统6复杂产品集成质量管理技术7集成制造系统的集成技术8制造网格技术,二、复杂产品虚拟样机工程,服务于产品研制全生命周期的多学科虚拟技术,多学科虚拟样机技术是融合产品有关的专业领域技术与建模/仿真技术、信息技术、多媒体/虚拟现实技术、人工智能技术、系统技术、管理技术等多学科技术的一门综合性技术。,虚拟样机技术的应用已贯穿于产品研制/SBA的全过程,产品经典开发,物理样机,设计验证与测试,控制设计师,机械设计师,概念,设计,设计,返工,基于虚拟样机的开发,控制设计师,机械设计师,共享同一模型,多学科虚拟样机,概念,物理样机,设计验证与测试,设计,设计,复杂产品的虚拟样机开发已涉及到产品全生命周期中相关的人员/组织、管理和技术的集成与优化，已成为一项复杂的系统工程“复杂产品虚拟样机工程”，它对传统产品开发方法、技术、工具等方面的研究、开发与应用提出了一系列新的挑战。,复杂产品虚拟样机工程系统,复杂产品虚拟样机工程系统（续）,工程设计技术,建模/仿真技术,管理技术,团队/组织,是三个要素有机集成与优化的系统团队/组织技术管理是三类技术有机集成与优化的系统工程设计技术建模/仿真技术管理技术,复杂产品虚拟样机工程系统（续）,需要“复杂产品虚拟样机工程系统的支撑环境”实现三个要素和三类技术有机集成与优化支持复杂产品虚拟样机工程的协同开发,针对复杂产品研制特点，从虚拟样机工程的角度，已有的产品开发方法、技术手段与科研环境不能满足型号研制的需求复杂产品科研项目的综合管理复杂产品的前期论证与后期评估复杂产品多学科协同设计及其综合优化复杂产品综合试验与验证科研资源共享与协同,复杂产品虚拟样机工程整体解决方案,国家863计划“航天重大型号协同制造工程及复杂产品制造工具集的研究与开发”，“仿真应用网格的研究与开发”,总装“虚拟样机仿真支撑平台/环境技术研究”,“装备虚拟样机仿真演示系统”,国防科工委“数字样机建造与设计优化技术研究”,理论与方法上：建立复杂产品虚拟样机工程的概念及其技术体系,应用背景航天XXX航天重大工程XXX,先进分布仿真技术VR技术虚拟样机技术集成平台/框架技术技术积累,其它行业“船舶CAPE”协同仿真环境研究等,工具与平台上：开发一套复杂产品虚拟样机工程支撑平台/工具集,标准与规范上：提出一系列标准研究项目,复杂产品虚拟样机工程支撑平台/工具集（北京仿真中心）,四个计算机软件著作权虚拟样机工程协同建模仿真平台系统Cosim-Platform虚拟样机工程项目管理系统Cosim-Project虚拟样机工程模型库管理系统Cosim-VPLM虚拟样机工程可视化环境系统Cosim-VE,复杂产品虚拟样机工程支撑平台COSIM,（1）COSIM是一个集成的软件套件，支持复杂产品虚拟样机工程开发全生命周期,支撑平台与工具集,工具集的组织及其特点,面向虚拟样机系统开发全过程,面向虚拟样机工程活动全内容,（2）以项目管理（COSIMProject）为核心，基于COSIMVPLM/PLM，实现了复杂产品虚拟样机工程开发全生命周期的管理；,虚拟样机工程项目管理系统COSIMProject,支持复杂仿真工程的全生命周期管理支持仿真工程项目设计的相关资源的动静态管理和项目进度、成本的计划、跟踪。提供资源均衡的优化算法提供多约束条件（复杂资源）下项目进度优化算法基于Petri网的资源分配、流程设计及进度安排建模与仿真优化与PDM/工作流、质量管理系统QQ集成,项目管理器,虚拟样机工程模型库管理系统COSIMVPLM,模型库管理系统支持按项目/按多学科虚拟样机模型结构树组织管理协同仿真项目全生命周期涉及的各类数据、模型、文档和工具等，是开发环境与运行环境的桥梁，支持对标准组件模型的管理和组装。基于PDM技术，基于XML技术，中间件技术；面向服务的模型调度管理模式；支持全生命周期，从概念设计到详细设计实现；面向多学科复杂仿真系统模型,模型库系统,各专业学科模型：设计文件对应结果各仿真试验的相关模型：支撑研试文件,物理样机产品组成结构,虚拟样机模型组成结构,（3）解决了多学科虚拟样机的快速构造和协同仿真,COSIM,协同仿真平台Cosim-Platform一个人机界面良好的、面向多学科领域、符合MDA规范，支持高层体系结构HLA，具有通用性、开放性和可扩展性的建模、调试、运行、评估的一体化建模仿真环境。,Cosim-Platform高层建模集成开发环境,高层建模,Cosim-Platform运行支撑系统,以模型为基础，实现非编译模式的仿真应用系统的构建。动态载入COSIM仿真模型模型间交互信息的自动连接仿真引擎动态行为信息自动配置中间件平台组件接口自动配置,运行支撑系统,Cosim-Platform仿真评估器,仿真数据采集离线在线评估评估报告自动生成采用组件技术开发完成复杂评估模型的建模、集成、部署和运行，实现评估器的开放性、可定制性、可重用性以及灵活性；与高层建模工具集成，完成对复杂评估模型的静态结构和动态行为建模；与运行支撑环境集成，支持动态装卸载评估模型，为仿真评估提供运行支撑。,仿真评估器,可视化环境COSIMVE,外观浏览：显示仿真实体几何模型外观及模型结构树。三维场景：实时绘制三维场景，显示仿真实体在虚拟场景中的动态行为，快速构建基于HLA的视景仿真应用。,（4）支持基于并行工程的“V”字型开发模式，实现系统设计、验证与集成的叠代式开发；,Cosim-Platform概念模型推演器,在模型的实现之前对系统的概念模型进行推演，确认模型在结构、行为、交互方面的正确性；Cosim概念模型推演器支持概念模型和“真实模型”的混合运行；Cosim概念模型推演器促进了基于Cosim协同仿真平台“V”型开发模式。,概念模型推演,系统总体设计工具,（5）从数字化设计向数字化试验拓展；,用于各类试验数据、文档/文件的采集、集中综合管理、数据分析；包括实验数据采集模块实验数据管理模块实验数据分析模块,试验信息管理系统,Cosim-TIM试验信息管理系统,三、初步应用与实践,背景,“十一五”期间，我部科研任务异常繁重、科研形势异常紧迫,同时市场竞争也愈加严酷。传统的串行、孤立的研发模式已不适应甚至严重阻碍了总体部的发展步伐。,业务特点,复杂产品对象：系统复杂、技术难度大，涉及电子、光学、机械、力学等多学科，多专业的知识交错，产品结构复杂，产品高度集成；多类型号并行、多种状态交替生产，批次及技术状态多，处于多型号、多批次状态共存的状态；多学科专业：19个专业大类，一百多个研究方向组织管理：参与研制单位多，研制周期紧。配套研制单位地域分布广、研制关系复杂，型号研制涉及的单位较多，且分布在国内多个地区，研制配套和技术协调关系复杂；型号研制是个系统工程，按项目综合管理；积累与沉淀：五十年来，积累了大量的不同类型、格式的文档资料，各类专业化自研和商品化的软硬件资源，大量的不同专业仿真分析模型，沉淀了一批有价值的试验数据,构建信息化基础平台，提高基础科研能力，充分挖掘和利用知识/资源整体优势，实现资源（文档、软件、模型、数据）协同共享、重演重用，完成总体部多学科专业特色知识体系的高度集成和并行、协同开发，增强我部自主创新能力，提高核心竞争力。,系统研发平台,（1）基础设施建设上围绕高效、安全的科研办公需要，开展网络/OA/信息安全/标准规范等信息化基础设施建设与完善。,（2）公共服务平台建设上：背景给各科研人员提供一个统一、开放、安全、高性能的软硬件资源应用环境。,整体方案架构,资源网格三级冗余许可证管理。并行文件系