面向并行工程的轻武器协同设计研究

    文 | 李峰, 徐诚, 赵彦峻, 张景柱

 配图 | 来源互联网

在轻武器设计领域, 通过引进和应用当代的理论研究成果、工程实践经验和先进的计算机辅助设计技术, 就可以缩短新型轻武器装备产品的研制周期, 加快其设计过程。

传统的轻武器开发流程通常为: 概念设计，􀀁产品设计􀀁， 样机试制，􀀁 试验验证，􀀁 设计修改􀀁，定型生产。这种序列化的串行设计制造过程不能在设计的早期反映产品在整个生命周期的各种需求, 使所设计的产品存在很多缺陷, 从而导致设计方案反复修改, 甚至返工, 延长了产品的研制周期。另外, 物理样机的制造和修改也要花费相当多的时间和经费。

近年来, 随着计算机集成制造技术的发展, 虚拟样机技术日渐成熟, 并在轻武器设计与研制过程中起到越来越重要的作用[1] 。而相对于传统的串行开发过程提出的并行工程也已成为当今机械工程领域的研究热点。

本文基于并行工程的思想和方法, 以系统工程的理论为指导, 结合虚拟样机技术, 对轻武器产品的研制过程进行了研究, 主要包括并行工程和虚拟样机技术的涵义以及它们在轻武器研制过程中的具体实施方法, 以达到缩短开发周期、降低研制成本和提高研制质量的目的。

虚拟样机技术是一种新型的产品开发技术。许多研究者就各自的领域给出各种不同的虚拟样机技术的定义, 因而, 迄今为止虚拟样机技术并没有1个完全一致的定义。虚拟样机技术和虚拟样机是2个不同的概念, 目前很多文献都没有对此进行明确区分。

从机械制造的角度来看, 笔者认为文献[2]给出的定义比较符合实际: 虚拟样机是物理样机在计算机上的本质实现。相对于传统的仿真模型来说,虚拟样机更加强调系统性和整体性。利用虚拟样机可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估, 缩短开发周期, 降低成本, 改进产品设计质量,提高企业面向客户、敏捷响应市场的能力。从机械制造的角度来看, 笔者认为文献[2]给出的定义比较符合实际: 虚拟样机是物理样机在计算机上的本质实现。相对于传统的仿真模型来说,虚拟样机更加强调系统性和整体性。利用虚拟样机可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估, 缩短开发周期, 降低成本, 改进产品设计质量,提高企业面向客户、敏捷响应市场的能力。

虚拟样机技术本质上是1种基于并行工程理念的设计开发方式。与传统产品设计技术相比,虚拟样机技术强调系统的观点, 它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[2] 。

2. 1 并行工程的定义

目前, 人们普遍采用Winner在美国国防分析研究所的R - 338 报告中给出的定义: 并行工程是集成、并行设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统化方法。这种方法要求产品开发人员在设计开始就考虑产品的整个生命周期和从概念形成到产品报废处理的所有因素, 包括质量、成本、进度计划和用户要求。这个定义将并行工程的核心确定为围绕全生命周期产品模型的并行设计[3] 。

2. 2 并行工程的特点

并行工程特点可以用4C来概括, 即并行性( concurrent)、约束性( constra int)、协调性( coordination)和一致性( consistent)。并行性要求产品和过程设计在同1个框架内并行进行; 约束性要求在产品设计时考虑过程的约束性(包括过程的时间效益, 成本效益等) ; 协调性要求产品和过程密切协调; 一致性要求产品和过程中的重大决策要取得并行工程小组人员一致的意见[4] 。

一般来讲, 设计并行与活动并行是并行工程的2种实现模式。设计并行是从产品全生命周期的角度定义产品设计阶段的任务和质量要求; 而活动并行是利用产品开发过程中信息流超前物料流的方式, 激发各个活动在宏观上的并发实现[5] 。

2. 3并行工程相关技术

(1) CAX技术。随着计算机技术的发展, 形成了1批先进的计算机辅助工程(CAX)技术。例如, 计算机辅助设计CAD, 分析CAE, 制造CAM和工艺分析CAPP等及其集成技术。这些技术都成为顺利实施并行工程的重要工具。并行工程中CAX之间的交互是动态的、随机的和双向的, 这种集成式的互动要比单一的CAX应用更频繁、更复杂。

(2) DFX技术。面向产品生命周期(DFX)的设计技术是设计方法 论和设计支持技术的重要研究内容之一, 是产品开发的有效方法和技术。DFX是1种设计方法 论, 它本身不直接产生设计方案, 而是设计评价分析方法, 为设计提供依据。其主要内涵是要求在设计过程中尽早考虑后续阶段, 如装配加工、测试、性能方面对设计施加的设计约束, 以期做到产品生产一次成功。DFX方法强调产品设计和过程设计的同时进行, 而不是像以往产品设计完毕后再进行过程设计。

( 3) PDM 技术。产品数据管理( PDM ) 技术是产品数据共享与过程管理技术, 是并行工程的基础平台。PDM 的目的是对并行工程中的共享数据进行统一的规范管理, 保证全局数据的一致性, 提供统一的数据库和友好界面, 使多功能小组能在1个统一的环境下工作[4] 。

3. 1轻武器研制结构分析

轻武器的研制过程不同于其他机械产品的开发, 它有其独特的开发过程。它是1个由多学科领域设计人员参加, 以共享设计参数和交换数据为目的, 以虚拟样机模型为核心的计算机支持的协同设计过程。从某种程度上来说, 轻武器系统是1个复杂的系统。这种复杂不仅体现在系统组成的复杂,还体现在工艺要求的复杂(轻金属与非金属材料成为重要的结构材料) , 产品技术的复杂(通用性与互换性的高要求决定了多功能与多用途的部件设计), 以及制造过程的复杂(大产量和较长的寿命周期)。因此, 以并行工程思想为指导、虚拟样机为载体是研制开发轻武器系统的最佳方法。

并行设计作为并行工程的重要环节, 决定着并行工程实施的成败。并行设计打破传统的串行设计模式, 实现设计者、设计方法、设计工具、设计信息的有效集成及设计过程的高度并行。集成的关键在于各种设计信息能在设计的不同阶段之间进行有效的交流和协调, 这里的信息不但包括设计图样和设计说明, 而且包括设计意图、设计原理和评价决策思想等。集成的结果表现为设计过程的并行操作。

传统的轻武器研制一直采用完全独立的串行工作流程, 仿真分析和设计人员的意图经常脱节,或者进行重复性的劳动。图1所示的过程中已经采用了虚拟样机技术, 但并行设计的思想并没有完全得到体现。

轻武器的并行设计主要由以下几部分组成:概念设计, 详细设计, 虚拟样机装配仿真, 物理样机试验评估等。各个部分由不同的设计人员并行设计。由于各部分的功能活动存在相互依赖的关系, 为保证开发队伍的协同工作, 实现开发过程中的信息交换和共享, 必须对设计过程进行动态调整和监控并且构造合适的并行设计工作环境。本文仅详细研究轻武器研制过程中工作流的并行设计体系框架, 对于研制过程中的组织和资源重组的并行暂不考虑。

图2中将轻武器并行设计框架按功能作用分为3层：决策层、工作层和支撑环境层。决策层在轻武器研制中起着至关重要的作用, 决定着总体设计的方向, 从工作层反馈的各种信息都在这里进行优化选择; 工作层是并行设计框架的核心体系, 包括具体实施的步骤、各种设计应用软件、各种分析评价所构成的反馈信息; 支撑环境层是并行设计的基础层, 包括产品数据管理和以数据库、操作系统、网络与通信协议为主体的底层。在这个结构图中引入反馈流, 把设计中的单向通道改为嵌套循环, 各设计结果及时反馈给上游进行设计评价和修改, 避免到开发后期才发现问题而返工, 充分体现了并行设计的内涵。

在轻武器产品的研制过程中存在着大量的数据, 这些数据需要统一管理以实现信息集成和共享, PDM就是顺应这种情况而产生的, 它在并行工程的实施中起到集成框架的作用, 是实现轻武器并行工程的关键技术。但是普通PDM 并不能完全满足仿真所需要的数据管理功能[6] 。因此,本文结合轻武器系统的特点, 在通用PDM 系统的基础上利用编程软件进行二次开发。

3. 2轻武器并行设计流程分析

轻武器的并行开发过程宏观上被描述为需求分析、概念设计、详细设计、虚拟样机仿真分析、物理样机试验评估和定型制造6个阶段。在图2中利用反馈流来反映设计过程的并行性, 而且相邻的阶段在实施时允许时序上有部分重叠, 即前一阶段未全部完成就可以开始后续阶段。

(1)需求分析: 根据需求方提出的战术技术要求, 考虑轻武器研发中技术的多样性、需求层次的复杂性, 做出有效的判定。

(2)概念设计: 概念设计和方案论证是轻武器研制的前期工作。在这个阶段, 成立由总工程师领导的项目小组, 通过对现行的轻武器装备进行分析, 确定预研的轻武器所达到的性能指标, 拟定其制造构想: 综合进度计划等。方案论证是轻武器设计过程中最为复杂重要的关键阶段, 本质上, 方案论证的过程就是1个优化决策的过程。方案论证阶段需要优化的设计过程包括总体方案的选择、总体结构、外形和部位安排。在总体方案设计过程中, 需要将轻武器的各个分系统视为1个有机的整体, 轻武器的各个分系统(比如枪械系统的自动机、膛口装置、枪架等)都有满足自身指标要求的设计原则和方法。在分系统设计过程中, 设计参数之间往往是相互制约、相互影响的, 可能会对全局最优产生影响。因此, 整体上来说, 并不要求各个分系统都能达到最优, 而是在提出的备选方案中选出最合适的, 确保方案的有效性和经济性。

(3)详细设计: 根据设计的目标和工程经验,提出模型的主要物理现象和特征, 规定所研制系统的边界和约束条件。在模型的结构设计阶段,应用的是CAX系列工具, 结合轻武器零件曲面较多的特点, 围绕上一阶段的目标和构想, 制定详细的零部件设计方案, 确定设计进度计划。本文主要选用AutoCAD进行二维图纸的开发和维护, 选用Pro/E或Solidworks作为三维造型和虚拟样机装配的设计工具。这一阶段的设计也应该重视人机工程的开发, 研究人-机- 环三者之间的协调。

在计算机虚拟现实环境提供的漫游特性和实时交互性条件下, 相关人员可以对虚拟样机的模型包括视觉效果进行评价与修改。在这个阶段可以模拟新型轻武器的装配过程, 通过对零部件的直接装配操作, 检验零部件的可操作性、装配的难易程度及装配次序。

在模型参数和动力学特性参数等方面考虑细节以逼近现实, 更精确地定义载荷、边界条件、材料特性、以及与时间相关的仿真控制流。这一步骤的详细分解如图3所示。

(4)优化仿真: 根据前一阶段的详细设计, 利用多种软件联合起来对所建立起来的轻武器虚拟样机整体进行全方位的仿真测试。将ADAMS机械系统动力学分析软件作为整体虚拟样机的动力学和运动学分析工具, ADAMS可以与Pro/E 或Solidw orks进行完美模型数据传递。对于应力应变分析则选用ANSYS /LS-DYNA 软件, 疲劳分析选用FATIGUE 软件, 在不消耗实际加工时间和原材料的基础上, 进行虚拟测试。利用iSIGHT优化软件对各个单领域的测试进行集成优化, 将优化结果反馈到设计阶段。最后按需求目标, 提供有效的仿真后处理结果和规范化的仿真报告。

(5)试验评估: 试验评估是对设计和虚拟仿真的检验阶段。针对物理样机试验所得到的主要现象和特征, 选择合适的指标数据, 进行轻武器试验验证工作。通常以某一关键指标数据为主要判据标准。尽可能在现场与用户进行交互, 获得实时反馈和改进意见, 测试仿真的应用效果。

(6)定型制造: 通过各种反馈信息改进设计方案, 最终设计定型并生产制造。

轻武器系统研制过程中需要不同专业、不同学科的设计人员的协作。把并行工程的思想和虚拟样机技术应用于现代轻武器设计理念中, 可以优化研制过程, 缩减研制时间, 提高研制质量。

武器装备的研制具有一定的特殊性, 由于保密及部门限制等因素, 尚不能实现完全的并行设计流程, 比如通过网络来加强设计和仿真之间的数据联系就不能够彻底实现。预计在不久的将来, 随着网络安全技术的提高, 武器装备的研制也会实现真正意义上的并行设计和全数字化样机技术。

参考文献:

[ 1] 李峰, 王永娟, 徐诚, 等. 虚拟样机技术及其在轻武器研制中的应用[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2006, 18(6) : 885- 888.

[ 2] 熊光楞, 王克明, 陈斌元, 等. 计算机仿真技术在轿车工业中的应用与发展[J]. 系统仿真学报, 2004,16(1): 73- 78.

[ 3 ] W inne r R I. The ro le o f concurrent eng inee ring in weapon system acquisition [ R]. AD-A203615, 1988.

[ 4] 吴子燕, 杨劲, 孙树栋. 建筑工程并行设计研究[J]. 工业工程与管理, 2005(3): 55- 58.

[ 5] 何煜琛, 王先逵, 刘成颖, 等. 并行工程中的两种并行实现模式研究[J]. 计算机集成制造系统-CIMS, 2002, 8(7): 538- 541.

[ 6] 张和明, 熊光愣. W eb的多学科协同设计与仿真平台及其关键技术[J]. 计算机集成制造系统-CIMS, 2003, 9(8): 704- 709.

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