数字化设计技术导论课件

1、 第二讲 数字化设计技术导论主讲人陈立平学科（专业）概论1 制造业竞争力的关键在于创新，设计是创新的灵魂，先进的设计理论、方法和手段是发展我国先进制造技术的关键。我国制造业的处于弱势地位（1）产品设计以逆向设计为主，创新设计能力弱于制造能力。（2）整机设计能力弱于零部件设计能力。（3）复杂机电产品设计能力弱于单纯机械产品设计能力。（4）缺乏系统的先进设计理论、方法和相关技术支撑，多“形似”、少“神似”。（5）产品开发以传统常规设计方法为主，缺乏鲁棒性设计、优化设计手段。（6）缺乏数据、经验、知识的积累和重用，需要相应的技术支撑平台。2 20世纪50年代以来，计算机技术的迅速发展，为工程设计、分

2、析和优化技术带来了全面的变革。 20世纪90年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的计算机辅助设计工具CAX软件在工业界得到广泛普及，产生了巨大的经济效益和社会效益，“数字化”作为显著的时代技术特征初露端倪。 20世纪90年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于多体系统(multibody system)的复杂机械产品系统动态设计、基于多学科协同(multi-disciplines colaberative)集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域物理建模(multi-domain physical modeling)及可重用机、电、液、控数字化功能样机的分析、研究与开发

3、，并逐步形成新一代技术和平台工具。在设计管理方面，形成产品全生命周期管理(PLM)技术。3 21世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线是多学科、多领域的融合与渗透是，M3P已成为当前技术研究、开发和应用的时代特征。 日趋复杂的现代机电产品广泛涉及航空航天、机电制造、能源和交通等重要行业，通常是集机械、电子、液压、控制等多领域物理子系统于一体的复杂大系统，多领域物理藕合和连续一离散混合的特性是其本构描述的基本特征。因此，复杂机电产品的创新从理论、方法和技术工具三个层面对设计。42.1 数字化设计技术解构数字化设计简述 “数字化”是信息时代社会化的技术特征，信息时代的现代设计即数字化设计。（1）综合

4、性 它是面向需求、综合应用基础学科发展成果的工程技术方法学 “万金油”专业（2）多样性 不同行业、不同领域产品需求、功能的差异性。（3）协同学 现代复杂产品开发往往是通过团队协作完成的，协同性成为当今数字化设计研究的重要课题（4）集成性 机电产品是由多领域（如机、电、液、控、热等领域）物理功能部件的组合而成的，即模型集成。建模：几何（结构）建模二维绘图功能建模三维实体造型 计算机辅助设计52.1 数字化设计技术解构数字化设计简述功能建模建立能表达对象功能、性能的模型，如位移、速度、加速度，力、应力、应变，流量、压力，电流、电压等特性参数实质是将对象的物理特性映射为数学问题：一组数学方程，分析与

5、仿真的内核即是方程的求解。 大规模、稳健、快速的数学求解是数字化设计基础关键的共性技术。 设计的最终目的是优化，建模、分析是优化设计的基础 数字化设计发展：参数优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化。 数字化设计技术是现代设计学的使能技术，是工程设计学、应用数学、软件技术和信息科学等多学科交叉融合的产物。它必定要承载现代设计学的理念、方法，通过数学过程，以软件为存在形式，面向广泛应用，提升设计的自动化、集成化和智能化的能力和水平。62.1 数字化设计技术解构IT技术的发展对数字化设计技术影响 20世纪80年代末：引人以C语言为宿主语言的二次开发技术ADS，进一步提升了平台的开放性，工程领域专业人员

6、采用ADS技术，开发了大量的专业应用，成为支持二维应用的通用平台。20世纪90年代初：采用面向对象技术重构了平台架构，以C+为宿主语言，推出面向对象运行时开发技术ObjectARX（object AutoCAD runtime extension），成为具有良好开放性和集成性成为功能强大的通用软件平台。 “资源可重用、系统可重构”是嵌入式时代IT技术的重要理念标签， 展开了具有时代特征的新技术研究与应用： 面向服务（业务、模型）的架构， SOA（services oriented architecture）、模型驱动的设计（MDD）、模型驱动的代码自动生成技术。 在嵌人式时代，机电产品的系统复

7、杂性进一步提高，表现为机、电、液、控等多领域的高度集成与融合。：72.1 数字化设计技术解构人工智能与数字化设计 过程式表达语言在相当长的时期内占据了计算机程序语言的主导地位。被认为更接近智能技术，因而陈述式表达和过程式表达成为考量一个系 统是否更灵巧的基本度量。 人工智能研究的观点，设计问题本质上是一个约束满足问题（ CSP, constraint satisfaction problem ），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述， 求设计对象的细节，引入人工智能新技术是不断地提高数字化、设计的自动化 与智能化水平的重要技术手段。 CAD 原意为计算机辅助设计（ computer a

8、ided-design ）， 由于 CAD 技术是以计算机辅 助二维绘图、三维造型工具在工业界得到普及的， CAD 软件的设计属性被淡化，而更多地被定义为计算机辅助绘图 (computer aided drafting ）。：102.1 数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构（1）集成和协同1）虽然集成与协同经常伴生出现，但它们是不同的两个概念。集成是一种客 观存在，与人元关。2）集成是可分解的，如子系统、子模块、零部件等。 3）集成是工程领域的基本方法，并非源于信息技术。4）复杂产品是由不同功能元（部）器件组合而成的，而产品是模型集成。5）模型集成不等于信息集成，模型的内涵和表现形式均高于

9、信息。 6）模型集成的科学依据是广义基尔霍夫第一、第二定理。7 ）协同有动态和静态两个属性。“协”刻画其动态特性，即团队、群体间的协 作；“同”描述其静态属性，“同”即是一种约定、协议或标准，如互联网TCP/IP 协议，机械工程中的各类互换标准等。：112.1 数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构（2）产品集成协同开发的组成与机理 北方交通大学查建中教授提出的 3V 设计空间描述方法1）产品开发的三维空间 产品开发可用以设计对象、设计方法、设计进程构成的三维空间来表述，三个坐标轴均嵌入一个子空间域，分别为对象域、方法域、进程域。：对象域 由对象知识、对象数学、对象几何构成，其活动的主体是工

10、程领域 专家和技术专业人员，面向需求，与工程行业领域相关。方法域 由建模、分析、评价构成，其活动的主体是基础学科的专家，其工作的主要目标是为工程问题提供基础的、 共性的理论、方法和于段。122.1 数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构3）对象知识 对象知识解构为（数据（ data ），文档（ document ），模型（ model） ）。 无论是科学研究还是工程技术的实现，都是从定性到定量的过程。数据是定量的基本单位，大规模数据的存储管理的研究数据库技术。 文档是人类记录知识、传承知识、学习知识的主要于段，如书籍。文档的处理在数字化设计体系是产品数据管理技术的基本 管理功能。 模型是一类

11、表现形式 更加结构化的知识，特指产品的功能与行为描述，工程上通常以定理，规则，图表描 述产品的功能与行为。对于一些复杂的功能部件如内燃机，很难用定理、规则直接描述，通常通过 实验获取。 162.1 数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构 模型集成是通过连接（ connectors ）实现的，连接是一种特殊的模型，接口是人为的，用于程序、模块之间的信息（如数据、参数等），仅在逻辑上存在。连接是一种 物理存在。可以理解为机电系统内能量传递的端口。 模型集成（连接）的科学依据是基尔霍夫第一、第二定理，即系统节点的势函数相 等；流经节点的流函数之和等于零。172.2 几何建模技术的现状与发展技术现状

12、 计算机辅助设计技术大致经历了几何建模、实体建模和参数化特征建模等技术 阶段，形成了特有的技术：几何引擎（ ACIS, parasolid ）、几何约束引擎 CD cubed ）、显示引擎（hoops ）、特征编码技术等。计算机辅助设计技术不足：1）强于几何设计，弱于功能设计，无论二维 CAD 软件和三维 CAD 软件均属绘图工具，还不能为产品功能设计提供更多的辅助于段。2 ）强于信息集成，弱于模型集成，除提供几何模型外，在产品功能建模和性能 优化方面缺乏辅助能力。 二维平台的主要产品AutoCAD 、Microstation 等，三维平台的主要产品有 Catia 、Pro/E 、UG 、So

13、lidWorks 、SolidEdge 、Inventor。182.2 几何建模技术的现状与发展技术现状 三维参数化造型问题：1）束缚于参数化过程，工程师主要精力耗于过程式参数化技术造型中。2 ）模型的修改必须符合参数造型规则，模型重构的灵活性受到限制，全参数化 复杂模型的构建很复杂，难度大，参数修改模型重构经常失败。3）由于必须记录造型的过程，导致模型文件庞杂，对于相同的零件，工程师以 不同造型方式产生的模型差异很大。4）三维平台的造型历史过程记录被厂家视为核心机密，元法公开，导致模型的 跨平台协同设计非常困难。192.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 对于以逆向开发为

14、主的产品，面向分析 验证阶段的 CAE 软件比面向设计阶段的 CAE 软件重要，原因是在逆向设计中，各 种设计参数的初步设计值可以直接通过测绘目标样机得到，而后期的局部调整才是 设计的重点所在。2）技术路线比较 面向设计阶段的CAE软件用于依据行业设 计理论和经验，对特定产品本构作合理的简化抽象，注重把握宏观特性，在操作流程 上从宏观到微观、从抽象到具体。 面向分析验证阶段的CAE软件与行业背景知识没有直接关系，其理论来源于计算科学，其通常是相关基础科学的软件实现，具有良好的通用性。3）按数学特征分类主机设计类 该类软件用于将一个抽象的设计概念逐步具体化为产品的具 体拓扑构成，并在每一阶段提出

15、较明确的量化指标对设计过程进行约束。其模型由 数量有限的解析或半解析的（图表曲线插值）表达式构成。232.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 专用类 用于在给定目标性能的情况下，确定子系统或部件的设 计参数的初步设计值，或用于硬件在环仿真确定控制策略。其模型一般由解析的或 半解析的表达式构成，但在必要情况下也可由数值模型构成。法规校核类 用于通过优选某些设计参数使产品设计指标满足行 业法规，模型通常由较简单的解析或半解析表达式构成。 面向分析验证阶段的 CAE 软件可分为：集中参数类 模型的数学形式多为微分方程或微分代数方程组，多 用于多功能组件集成系统的动态分析。分布参数

16、类 工程中存在大量的场问题，其模型本构为偏微分方程，在计算固体力学、计算流体力学等数值计算科学中通常用 有限元或差分法将其离散为代数方程求解，分布参数类 CAE 软件即多用于此类计 算中。242.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 4）应用普及程度比较 面向设计阶段的分析软件没有面向分析验证阶段的软件成熟、普及程度大，因为： 合理构造某类产品的抽象模型存在一定的难度。许多行业的抽象模型尚不 成熟，如何构造一系列的数学模型，使一个抽象的设计概念能逐步具体化为产品的具 体拓扑构成，并在每一阶段都能提出较明确的量化指标对模型进行约束，有待深入研 究。 两类软件的研发人员不同。研发

17、面向设计阶段的 CAE 软件的人员既要有 扎实的理论基础，又要对行业自身的设计理论有深刻理解，其通常为行业内的基础研 究人员。此类分析工具被视为企业核心竞争力，非特殊情况不做技术转让，对一些所谓的敏感技术甚至禁止转让，尤其对中国。目前提供设计分析技术的供应商都有很强的工业背景 面向分析验证阶段的 CAE 软件通常是相关计算科学的软件化，其研发人员由 专业的计算科学研究人员担任，软件通用性强，针对的市场面宽，多由软件公司开发， 因此得到普及。252.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 （2） 我国建模分析技术应用现状 我国工业长期以“仿制”为主，实质上是一种逆向设计，这导致国

18、内各行业将设计理论具体化为可操作的正向设计流程的能力较弱，国内面向设计阶段的 CAE 软件开发很少、软件成熟度低，可持续发展能力弱。 由于我国企业长期以逆向设计为主，因此首先被引进国内的是面向分析验证阶段的 CAE 软件。 面向分析验证 阶段的 CAE 软件的应用比对面向设计阶段的 CAE 软件的应用要广泛和成熟，因此 导致一种倾向：试图以“面向分析验证阶段的 CAE 软件优化设计”的方式代替面 向设计阶段的 CAE 软件，达到实现正向设计的目的，这可能是一种误区：1）由于模型直接以产品的终端功能元件构成，使得产品的本质规律被淹没在 繁复的外在细节规律中，不利于理解产品设计的实质。从目前的工程

19、实践来看，通过优化的方法所取得的效果十分有限。262.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 2 ）对主机厂来说，不利于实现对下游供应商的量化控制；在产业分工中，主机 厂下达给下游供应商的是抽象的子系统性能指标而不是终端元件的参数指标。3）对供应商来说，不知道如何提高子系统的性能竞争力；对供应商来说，子系 统终端元件的设计参数甚至拓扑构成是核心机密，元法预知子系统对整机性能的影响。（3）模型集成的实施与实现 模型集成的实施与实现是今后数字化设计研究的重要方向。对于复杂机电系统难以直接建模，多通过模 块化分治（ division &. conquer ）实现，即自顶向下地将系统分

20、为子系统，直至元器件（组件），分解的基本原则是最终组件的机理通过定理、规则以及图表可直接描述。 在 集成电路设计领域，在模型描述方面制定了硬件描述标准语言 VHDL-AMS ，实现了大规模集成电路 (IC）领域基于模型集成的模块化设计自动计算。目前工业界依赖于不同软件工具的模型很难以物理连接方式实现模块集成。272.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 （4）基于接口的多领域建模方法 目前最为普遍的多领域建模方法是基于接口的方法。 首先利用某领域商用仿真软件完成该领域模型的构建，然后利用各个不同领域商用仿真软件之间的接口，实现多领域建模。 在仿真的时候，通常利用各领域商用仿真

21、软件提供的协同仿真功能，实现不同领域模型之间的协同仿真，即各模 型在仿真离散时间点，通过进程间通信等方法进行相 互的信息交换，然后利用各自的求解器进行求解。 典型的如机械多体动力学仿真软件 ADAMS 提供了与控制系统仿真软件 MATLAB/Simulink 、MATRIX 的接口，可以实现机械多体动力学模 型和控制系统模型的协同仿真。282.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 （4）基于接口的多领域建模方法 基于商用软件的多领域协同仿真具有基于接口的多领域建模方法的诸多缺点，主要体现在以下两个方面。1）仿真软件必须提供相互之间的接口以实现多领域建模。如果某个软件没有 提供

22、与其他仿真软件的接口，那它们就不能实现多领域建模；当采用的商用仿真软件 数目超过 3 个时，理论上要求的最大接口数目将变得非常庞大，复杂程度随之增加。2 ）用以实现多领域建模的接口，往往为某些商业公司所私有，它们不具有标准 性、开放性，而且扩充困难。（5）基于高层体系结构的多领域建模方法 美国国防部范围内通用的仿真技术框架用来保证国防部范围内的各种仿真应用之 间的互操作性。技术框架的核心就是高层体系结构（ HLA, high level of architecture ）。 高层体系结构标准将实现某种特定仿真目的的仿真系统称为联邦（ federation ）。292.3 功能建模与分析技术 联

23、邦由联邦对象模型、若干联邦成员（可以是真实实体仿真系统、构造或虚拟仿真系 统以及一些辅助性的仿真应用，如联邦运行管理控制器、数据收集器等）和运行时间 支撑系统（ RTI, run time infrastructure ）构成。正向设计的一般流程与建模分析技术 HLA 定义的联邦系统是一个 开放性的分布式仿真系统，具有系统可扩展性。 HLA 的规则，联邦成员之间的 数据通信必须通过运行时间支撑系统（提供了一系列服务），以处理 联邦运行时成员间的互操作和管理联邦的运行。在这种结构中，运行时间支撑系统 从某种程度上来说是一种“软总线”，联邦成员可以在联邦运行过程中随时“插入”。302.3 功能建模

24、与分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 基于高层体系结构的多领域建模，建模人员首先利用不同领域商用仿真软件完成该领域组件的建模，获得相应模型；各领域仿真模型采用基于高层体系结构的方法将一个模型的输 出变量映射到另一个模型的输入变量上。1）利用不同领域商用仿真工具完成该领域子系统建模。2 ）将利用不同领域商用仿真软件开发的子系统模型划分成不同的联邦成员， 并确定每个联邦成员可发布的对象类以及相应对象类属性。3）采用基于 HLA 的方法将一个模型的输出变量映射到 另一个模型的输入变量上，从而实现不同领域模型的集成。4）为模型的每个输出变量发布与之相映射的对象类属性，为模型的每个输入 变量“定制”与之相映射的对象类属性，以实现仿真运行时不同领域模型之间的动态 信息交换。312.3 功能建模与分析技术正向设计的一般流