基于虚拟样机的复杂产品协同设计与仿真关键技术研究

作者：钟佩思/刘梅

虚拟样机( Virtua  Proto type, VP) 技术是一种新型的集成化产品设计与开发手段, 贯穿于复杂产品设计、试制、生产和评估的全生命周期中, 即面向复杂产品开发的全生命周期和全系统, 使产品设计、制造与使用之间的联系更为快速有效, 加速新技术向产品转换的过程, 并通过虚拟样机支持环境和各种仿真分析模型代替物理模型, 对产品进行创新设计、测试和评估, 从而降低技术风险, 提高产品质量, 缩短产品开发周期, 降低产品设计成本, 提高企业面向客户与敏捷响应市场的能力, 最终提高企业的核心竞争力。因此, 复杂产品虚拟样机技术具有广阔的发展前景和巨大的市场需求。

近年来, 在产品设计与制造网络化、全球化和市场响应敏捷化的需求牵引及相关学科技术发展的推动下, 以系统建模与仿真技术为核心的虚拟样机技术得到了迅速发展。以各类CAx /DFx( CAx 指CAD, CAE, CAM 等, DFx 指DFA, DFM, DFC等) 技术为代表的虚拟样机技术, 已在各个领域复杂产品开发的不同阶段中取得许多研究成果和成功的应用; 与此同时, 以支持多领域协同CAx / DFx 技术为特征的复杂产品虚拟样机技术正成为制造业产品研究、开发与应用的一个热点。以信息化带动工业化, 继续组织实施制造业信息化工程,加快新产品开发, 改造和提升传统产业, 提高工业生产水平, 是我国制造业信息化工程提出的目标。并行工程环境下的复杂产品虚拟样机技术正是制造业信息化和提高产品竞争力的有效手段。

本文系统的总结出一套满足复杂产品虚拟样机协同设计与仿真的关键技术, 并开发出适合我国国情、具有自主知识产权的复杂产品虚拟样机协同设计与仿真的分布式支持环境, 为我国重点行业典型产品开展虚拟样机开发奠定了理论与技术基础。

虚拟样机技术主要应用在飞机、汽车、铁路机车车辆、轮船等大型复杂产品的开发过程中, 在一些发达国家, 如美国、德国、日本等已经开始比较广泛地应用, 包括制造业、工程机械、航空航天、造船、机械电子、国防工业、通用机械等许多领域, 相关技术的研究工作也正在进一步深入开展。典型应用为波音公司采用产品全数字化定义制作出波音777 整机虚拟样机, 减少设计更改费用94%, 制造周期缩短了50%。在我国, 虚拟样机技术正在引起重视。在航天、航空、汽车、铁路机车等行业, 针对一些复杂产品的开发, 已开展了虚拟样机技术的研究工作。国家􀀁十五􀀁、􀀁 863􀀁计划自动化领域现代集成制造系统主题和国家制造业信息化工程领导小组对虚拟样机技术也非常重视, 对虚拟技术的多项有关课题进行了资助。清华大学、航天工业总公司二院、国防科技大学等单位对虚拟样机技术进行了相关的初步研究, 并取得了阶段性成果。

尽管虚拟样机技术发展迅速, 但目前仍然缺乏普遍适用的支持产品设计全过程的数字化产品开发系统, 尚未发现支持虚拟样机的工具与环境。实施虚拟样机技术的关键就是如何开发出可信度高的虚拟样机, 如何等效简化实际工况进行虚拟仿真与试验, 并在设计阶段就能完全预测评价产品的各项性能。为保证产品开发队伍的协同工作, 实现在分布环境中群体活动的信息交换与共享, 并对设计过程进行动态调整和监控, 保证在协同设计过程中, 把正确的信息, 在正确的时刻, 利用正确的方式, 传递给正确的人, 需首先构建虚拟样机的集成支持环境。由于上述因素的存在以及企业具体情况千变万化, 使其成为虚拟样机技术研究和推广的制约因素。

因此, 必须结合典型产品的开发, 开展并行工程环境下复杂产品虚拟样机协同设计与仿真关键技术的研究, 从企业具体需求出发, 通过深入研究并行工程模式下的虚拟样机协同设计与仿真的理论与方法, 进一步探讨复杂产品虚拟样机协同设计与仿真的体系、方法、运行机制、实施技术, 系统总结出面向复杂产品异地协同设计与虚拟样机的有效方法和技术模式, 为今后在一些重点行业开展虚拟样机攻关奠定理论与技术基础, 并开发出复杂产品虚拟样机开发协同支持环境。

虚拟样机协同设计与仿真的体系结构主要从全局出发, 解决涉及到系统全局的问题, 考虑构成虚拟样机协同设计与仿真各部分之间的关系, 规定和协调各分系统的运行, 并将它们组成有机的整体, 实现信息和资源共享, 从全局考虑各分系统之间的关系,如图1所示。

该系统主要包括集成管理子系统、协同设计子系统、决策支持子系统、协同仿真子系统和分布式协同支持环境五大组成部分。

需要解决的主要关键技术包括虚拟样机协同设计与仿真的多领域集成建模技术、多领域集成管理技术、多学科协同设计技术、多学科协同仿真技术、智能决策支持技术和整体解决方案。

3.1􀀁 虚拟样机协同设计与仿真的多领域集成建模技术

虚拟样机是不同领域CAD/DFx 模型、仿真模型等的有效集成与协同工作。因此, 实现虚拟样机协同设计与仿真的核心是如何对这些模型进行一致和有效地描述、组织、管理和协同运行。通过给用户提供一个逻辑上一致的, 可描述产品全生命周期相关的各类信息的公共产品模型描述方法, 支持各类不同模型的信息共享、集成与协同工作, 实现不同层次上产品的外观、功能和在特定环境下的行为的描述与模拟; 支持模型在产品全生命周期上的一致表示与信息交换和共享, 实现在产品全生命周期上的应用; 支持模型相关数据信息的映射、提炼与交换, 实现对产品全方位的协同测试、分析与评估; 支持虚拟产品各类集成建模、协同设计与协同仿真活动, 实现复杂产品虚拟

样机开发环境与运行环境的紧密集成。

传统的产品建模已经取得了可观的研究成果, 但主要集中在单领域产品的建模, 对产品信息描述的完备性不够, 产品定义的标准化和规范化程度不好, 尤其对复杂产品难以在系统层次上进行统一表达, 不能有效支持产品全生命周期的集成化开发过程。从当前建模技术的发展趋势上看, 采用层次化建模和模型抽象技术、多模式建模概念、并行和分布式建模技术, 基于元模型的建模技术、基于知识的建模是未来复杂产品建模技术的发展方向。

主要关键技术包括:

( 1)面向复杂产品虚拟样机全生命周期和多学科协同设计与仿真的多领域集成建模方法;

( 2)基于知识的虚拟样机协同设计与仿真的多模式建模技术, 包括领域知识的表达与分类方法, 产品模型与领域知识的封装集成技术, 建立包含多领域过程知识和设计知识的虚拟样机多视图集成模型;

( 3)面向大批量定制设计的产品族建模技术和模块化设计方法, 探讨利用产品族模型重组新产品的方法, 提高虚拟样机中􀀁产品􀀁部件􀀁零件􀀁模型的可重用性。

3.2􀀁 虚拟样机协同设计与仿真的多领域集成管理技术

虚拟样机是一个复杂的系统, 涉及大量的数据、模型、工具、流程以及人员, 如何高效组织和管理它们, 使它们优化运行, 在正确的时刻、把正确的数据、按正确的方式、传递给正确的人, 实现信息集成和过程集成是能否优质、成功开发虚拟样机的关键。其内容包括IPT团队的组建与管理, 虚拟产品数据、模型的管理, 虚拟样机开发流程的建立、重组优化与管理,项目管理等方面。

主要关键技术包括:

( 1)面向虚拟样机系统的基于知识的多视图过程建模与管理方法, 建立基于知识的产品开发过程执行与监控机制;

( 2)以典型产品的关键零部件开发为对象, 分析现有产品开发流程, 提出基于并行工程的改进的产品开发过程, 研究面向产品开发过程的企业资源建模与分析方法以及虚拟样机开发的工作流管理和过程集成技术;

( 3)产品开发过程模型到PDM 工作流管理模型的转换方法实现基于PDM 的产品开发过程管理和资源共享, 支持多学科专家的团队协同设计与开发;

( 4)基于PDM 系统, 进一步拓展对多目标、模型库和知识库的管理功能, 实现复杂产品虚拟样机开发中各种数据、模型、工具、流程以及人员管理的有效管理。

3.3􀀁 复杂产品虚拟样机系统的多学科协同设计技术

虚拟样机系统是一个典型的多学科交叉与融合的系统工程。协同设计是虚拟样机开发的主要模式。这种大规模的协同工作, 使得冲突成为虚拟样机设计过程中的一个重要现象,尤其是领域间的冲突问题。为此, 需要研究一种协调管理机制与冲突解决系统, 建立并处理各领域间的依赖关系, 协调各跨学科小组之间的活动, 通过采集有效的冲突仲裁支持信息, 提前发现产品开发过程中出现的冲突, 并作出仲裁, 从而保证产品开发过程顺利进行。

主要关键技术包括:

( 1)复杂产品虚拟样机协同设计中的协调模型及其分布式协调管理方法。重点是建立基于约束网络的协调关系模型,并且提出有效的协调管理和冲突解决方法, 支持并行工程产品开发模式, 提前发现设计之中的冲突, 协调产品开发工作流程。

( 2)针对多领域虚拟样机协同设计中的冲突, 利用优化算法, 找到多领域协同设计的􀀁 瓶颈􀀁, 以有效解决多领域设计中的冲突问题, 包括设计冲突和过程冲突。

( 3)面向虚拟样机全生命周期有效集成DFx 工具的体系结构, 有效支持虚拟样机协同设计。

3􀀁.4􀀁 复杂产品虚拟样机系统的多学科协同仿真技术

多学科协同仿真技术是基于先进的建模技术、分布仿真技术和信息管理技术的综合应用技术, 协同仿真既包含时间轴上对产品全生命周期的单点仿真分析, 亦强调同一时间点上, 基于不同人员、工具对同一产品对象在系统层面上的联合仿真分析。它支持􀀁 由上至下􀀁的复杂系统开发模式, 是分布、异地的人员采用各自领域的专业设计、分析工具协同地开发复杂产品的一条有效途径。

协同仿真技术包括信息集成技术、协同仿真实验技术和协同仿真运行管理技术等方面。产品建模技术是复杂系统的顶层描述; 产品协同仿真技术主要解决这些由不同工具、不同算法, 甚至不同描述语言实现的分布、异构模型之间的互操作与分布式仿真问题, 以在系统层次上对虚拟产品进行外观、功能与行为的模拟和分析活动。协同仿真运行管理技术负责管理各类模型协同仿真运行时的状态及流程设计与管理等。将协同仿真技术应用于复杂产品虚拟样机开发, 实现虚拟环境下对产品模型的各种性能的仿真和优化。

主要关键技术包括:

( 1)复杂产品多领域分布式协同仿真建模技术和仿真模型重用技术, 基于不同工具、不同算法、不同描述语言, 实现分布、异构模型之间的互操作与分布式复杂产品协同仿真, 在系统层次上对虚拟样机性能进行仿真和分析;

( 2)协同设计环境下多个领域建模、分析工具之间的系统集成方法与实现技术, 实现多个领域建模、分析工具之间的分布式信息集成;

( 3)复杂产品多领域分布式协同仿真运行管理技术, 包括管理各类模型、仿真流程、仿真运行状态及协同等;

( 4)以支持数据与模型重用为目的由分布式协同设计环境下各领域建模、分析工具所产生的领域模型库管理模式;

( 5)复杂产品虚拟样机协同仿真平台的功能框架和技术框架, 支持集成仿真建模、仿真分析、仿真运行及决策支持等工具, 以及各领域专家和技术人员的协同工作。

3.5􀀁 面向虚拟样机协同设计与仿真的智能决策支持理论与方法

决策支持系统能够有效地支持半结构化和非结构化问题的求解, 采用了大量的人工智能理论与方法, 必须在系统中建立领域知识库, 包括模型库和方法库, 以存放各种规则、因果关系、设计人员的经验等; 还应有综合利用知识库、数据库及对定量计算结果进行推理和问题求解的推理机, 冲突识别、冲突协商和冲突消解。

主要关键技术包括:

( 1)基于网络的CAD /CAM 系统与智能决策支持系统集成框架, 实现产品开发过程与协同设计智能决策支持的有机集成;

( 2)支持虚拟样机协同设计与仿真的分布式领域知识处理框架与体系结构, 建立分布式的领域知识处理模型;

( 3)面向过程的复杂产品协同设计智能决策支持工具的研究与集成, 建立方案设计智能决策支持工具、基于实例的设计支持工具、智能化设计冲突协调工具、智能化DFx 工具等;

( 4)虚拟样机仿真结果需要物理样机的进一步试验验证,需将物理样机性能试验台的试验结果与仿真平台进行有机集成, 研究面向虚拟样机系统的仿真智能评估技术, 建立与仿真结果相关联的试验结果数据库, 积累经验数据, 为基于虚拟样机的新产品开发提供校验和支持。

根据虚拟样机整体解决方案的研究, 基于PDM 系统, 建立一个支持并管理虚拟样机全生命周期协同设计过程与性能评估活动, 支持多学科团队采用CAD /DFx 进行设计, 采用仿真工具来开发和实施虚拟样机的协同支持环境。主要由协同设计分系统、协同仿真分系统、决策支持分系统、协同管理分系统和分布式网络环境五部分组成, 如图2所示。

( 1)协同设计分系统: 提供相应CAD /DFx设计工具、外观设计和协同设计等工具, 支持不同学科领域(如机械、控制等)分系统的设计、开发, 支持虚拟样机功能、行为、性能模型的设计开发, 支持虚拟样机外观设计开发。

( 2)协同仿真分系统: 通过相应的数据库、模型库、仿真工具等, 对虚拟样机进行功能、性能等的仿真。包括建立虚拟样机的协同仿真平台, 该平台以CAD /CAE 系统等为平台工具库; 建立产品的仿真模型, 对产品进行性能仿真, 并实现模型和数据的管理与共享。

( 3)决策支持分系统: 支持协同设计、协同仿真与集成管理, 主要包括建立面向虚拟样机的协同设计决策支持系统、协同仿真决策支持系统、仿真评估专家系统和领域知识处理系统等。

( 4)集成管理分系统: 提供一个基于PDM 系统的集成管理平台, 对设计分系统、仿真分系统和试验分系统进行统一管理, 支持对虚拟样机的设计、分析与评估, 相关的文档管理、虚拟样机数据与模型管理、知识库管理、工作流管理、冲突管理和项目管理等。

( 5)分布式网络环境: 支持虚拟样机开发的网络系统、数据库系统等。

开发一个具有自主知识产权的支持产品虚拟样机开发的软件原型系统, 提供一个基于PDM系统, 把计算机、网络、数据库、知识库、模型库和一些专用CAD /DFx 工具、系统仿真工具等集成起来, 构成一个适应复杂产品虚拟样机协同设计与仿真的原型系统框架, 其目的是要把在不同地点、使用不同子系统的多学科小组成员集成起来, 构成一个分布式虚拟样机协同工作平台, 共享数据与知识, 并提供相应的虚拟样机协同设计与仿真支持工具。

该原型软件系统将应用于典型行业复杂产品如工程机械、带式输送机、纺织机械或模具产品等的虚拟样机产品开发过程中, 以测试、修改和完善虚拟样机开发原型系统。

参考文献:

[ 1] Ch arlesH indm an, K arl B Ousterh out. A V irtual Des ign System for SheetM etalForm ing[ J] . Journ al ofMaterialsProcess ing Technology, 1998, 84( 1) : 107􀀁116.

[ 2] M ich aelW eyrich, Pau lD rew s. An Interact ive E nvironm ent for V irtu al M anu facturing: The V irtualWorkbench [ J] . C om pu ters in Industry,1999, 38( 1) : 5􀀁15.

[ 3] Shan Feng, L ing X L ,i L ing C en. An Ob ject􀀁Orien ted In telligent De􀀁s ign Tool to A id the Des ign ofM anu factu ring System [ J] . Know ledge􀀁 based System, 2001, 14 ( 2) : 225􀀁232.

本文来源于互联网，如有侵权请联系版主，我们将第一时间予以撤消。

相关文章，在仿真秀官网搜索：

1）  【产品】动力学实验可视化及仿真模型修正Vibrant模块介绍

2） 【知识库】什么是Verification和Validation（V&V）？

3） 【好工具】您需要一款公差累积分析软件，避免差之毫厘，谬以千里！