【V&V仿真验证管理系列】协同虚拟样机关键技术及其应用和发展前景_振动_系统仿真_航空_航天_通信_理论

前言

随着计算机技术和现代集成制造系统( CIMS)技术的迅速发展, 工程设计的理论、方法和手段发生了巨大的变化。计算机辅助工程( CAE )的广泛应用以及并行工程( CE )理论的迅速发展, 从根本上改变了传统的设计方法, 极大地促进了制造业的发展和革命。于是, 以CAX /DFX等技术为代表, 以系统建模、仿真技术为核心, 以并行工程思想为指导的虚拟样机技术得到了迅速发展, 在各个领域得到了广泛的应用。

如今, 企业产品开发工作已由个体化、串行流程的产品研发模式转向上下游多方协同, 兼顾设计、工艺、制造、客户、供应商、合作伙伴等并行的产品设计。信息交流在产品开发中越来越重要,“协同”已经成为当代产品研发策略的根本方向。因此, 以并行工程思想为指导、虚拟样机为载体的协同虚拟样机逐渐受到学术界的重视。

1. 协同虚拟样机技术

协同虚拟样机技术( CVP)是在分布式的环境下, 多领域专家协同建立和应用虚拟样机的方法和技术。它是一种基于一体化产品和过程开发( IPPD)思想的新的设计开发范例, 其核心是一体化产品小组( IPT)的实施, 能够实现分布在不同地点、不同部门的IPPD小组成员围绕逼真的虚拟样机, 从不同角度、不同需求出发, 对虚拟样机进行测试仿真和评价, 从而改进和完善其设计, 缩短产品的开发时间。应用协同虚拟样机技术, 可使产品的设计者、使用者和制造者, 在产品研制的早期, 在虚拟环境中直观形象地对虚拟样机原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真。协同虚拟设计一般流程如图1所示。

( 2) 协同虚拟样机系统具有分布式结构。通过特定模式网络工作环境, 实现多学科设计人员和跨地域资源的并行参与和协同工作;

( 3) 协同虚拟样机技术能够应用于产品生命周期中的各个阶段。

2. 协同虚拟样机关键技术

虚拟样机支撑环境应该是异构支持并管理产品整个生命周期虚拟化设计过程与性能评估活动,支持分布异地的团队采用协同CAX /DFX 技术来开发和实施虚拟样机工程的集成应用系统平台。

( 1) 应能提供相应数据、模型、CAX /DFX 设计工具、基于知识管理的协同环境等, 支持复杂产品整个生命周期的设计活动;

( 2) 应能提供相应数据、模型库(包括相关产品模型与环境模型等)、相关模拟器/仿真应用系统、协同仿真平台和可视化环境等, 支持对复杂产品整个生命周期的仿真和分析活动;

( 3) 应能支持虚拟样机开发过程中的组织、技术和过程3个关键要素的有机结合, 支持虚拟产品数据、模型和项目的管理与优化, 支持不同工具和应用系统的集成, 支持并行工程方法学。

虚拟样机是不同领域CAX /DFX 模型、仿真模型与VR、可视化模型的有效集成。因此, 实现虚拟样机的核心技术是如何对这些模型进行一致的、有效的描述、组织、管理和协同运行。

传统的产品建模取得的成果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, 缺乏一种集成的、完整的、一致性的有效方法。尤其对于复杂产品, 传统的建模方法难以在系统层次上进行统一表达, 不能有效支持产品整个生命周期的集成化开发过程。从当前建模技术的发展趋势看, 采用层次化建模和模型抽象技术(复杂模型的集成与分解技术)、多模式建模概念(对系统从不同抽象级进行建模, 集成不同的建模技术)、并行和分布式技术、基于元模型的建模技术和基于知识的建模(提供不同的知识表示方案和推理技术, 在模型中描述系统知识)是未来复杂产品建模技术的发展方向。

虚拟样机建模技术能够给用户提供一个可描述产品整个生命周期相关信息、逻辑上一致的公共产品模型描述方法, 它可以支持模型在产品整个生命周期的信息交换和共享; 支持各类不同模型的信息共享、集成与协调运行; 支持模型相关数据信息的映射、提炼与交换; 支持产品各类模型的协同建模与协同仿真活动。

协同仿真技术是指异地分布的建模、仿真分析人员可在一个协同、互操作的环境中方便、快捷、友好地采用各自领域的专业分析工具对构成系统各子系统进行建模与仿真分析, 或从不同技术视图进行功能、性能的单点分析, 并支持参与整个系统的联合仿真, 协作完成对系统仿真的一种复杂系统仿真分析方法。

协同仿真技术是基于建模、分布仿真和信息管理的综合应用技术, 是在各领域建模、仿真分析工具和CAX /DFX 技术基础上的进一步发展。协同仿真既包含在时间轴上对产品的整个生命周期的单点仿真, 也强调在同一时间点上不同工作人员、工具对同一产品对象在系统层面上的联合仿真分析。协同仿真技术是不同的人员采用各自领域的专业设计和分析工具协同地开发复杂系统的一条有效途径。

复杂产品的协同仿真技术包括高层建模技术、协同仿真实验技术和协同仿真运行管理技术。复杂产品高层建模技术是复杂系统的顶层描述。复杂产品的协同仿真实验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, 以及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问题。协同仿真运行管理技术负责管理在协同仿真运行中各类模型的状态及其流程设计管理等。

数据库涉及的关键技术有高速网络数据的实时交互与显示、数据融合与挖掘等。其内容包括支持仿真所需的模型库、仿真对象模型库、数据字典、与应用领域和仿真目的有关的资源库等。数据管理有如下要求: 全局数据共享性, 支持人员和仿真工具对异地异构数据的透明度; 局部数据的自治性, 局部数据的更新由产生它的应用程序执行, 保护私有数据的安全; 完整性, 保证数据的正确性和有效性; 并发性和一致性, 具有并发处理和一致功能。

互联网和其技术的发展, 使全球或企业内部的信息交流、平台独立性、易维护性、可重用性以及交互性等这些特征成为对新一代软件的要求。利用互联网技术和w eb 技术, 用户可以在全世界范围内获取和共享信息。随着w eb 应用体系与分布式对象技术的结合, w eb技术朝着动态性和开放性的方向发展。它能够提供多种灵活的网络互联方案, 支持大型分布式应用系统。在分布式数据库中, 数据逻辑上是集成的, 而在物理上是分布存放的。信息资源应尽可能地分类存放在资源主要使用者所在地, 使绝大部分数据在本地存取、修改, 同时又允许异地使用者共享分布式数据库中的资源。既减少了通信的开销, 也避免了集中式管理存在的弊病。

3. 协同虚拟样机技术的应用和发展前景

协同虚拟样机技术是并行工程协同设计在虚拟样机技术中的应用, 是一种新型的产品开发技术。与虚拟样机相比, 协同虚拟样机具有更多的技术优势, 更适用于复杂产品的开发过程。目前,国内对协同虚拟样机技术的研究还处于起步阶段, 发展潜力巨大。

国内协同虚拟样机技术的研究和应用主要集中在航空航天、军事武器等领域。比如在某飞行器的设计过程中, 设计人员利用协同仿真技术对飞行器的关键性指标进行仿真分析, 使开发出来的飞行器不仅满足实际使用要求, 还大大减低了成本, 缩短了开发周期。

众所周知, 导弹的研制过程是一个任务多、周期长、涉及专业领域广的系统工程。在某导弹的设计中应用协同虚拟样机技术, 不仅为导弹武器系统流程的改造和研究水平的提高提供了保障, 而且优化了导弹的性能。协同虚拟样机技术在工程机械中的研究还处于起步阶段。国内的研究应用主要集中在一些高校和某些专业研究机构。

在国外, 工程机械协同虚拟样机的研究开展得比较早, 已有工程机械制造企业采用这项技术。著名的工程机械生产商John Deere公司采用这项技术来解决高速行驶蛇行现象及重载下的自激振动问题, 大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。目前, 国内工程机械制造企业普遍存在产品更新换代慢的问题, 总体产品质量低于国外同类产品。如何尽快缩短这种差距, 提高产品的设计水平已成为工程机械制造企业的迫切要求。

结语

协同虚拟样机技术是一项复杂的技术, 成功地将虚拟样机技术应用到产品设计开发过程需要系统化实施方法的指导和相关技术、工具的支持,这方面的研究与应用还处于初级阶段。随着虚拟样机支撑环境研究的进一步深入, 将会对虚拟样机技术的发展起到推动作用, 也会对机械制造业带来更深远的影响。

1 熊光楞, 郭斌, 陈晓波等. 协同仿真与虚拟样机技术. 北京: 清华大学出版社, 2004

2 张旭, 祖旭, 薄瑞风. 协同虚拟样机技术及其在机械产品中的应用. 矿山机械, 2004. 02

3 胡蓉, 胡如夫. 机械产品虚拟样机协同开发技术. 机床与液压, 2003. 03

4 李伯虎, 柴旭东等. 复杂产品虚拟样机工程的研究与初步实践. 系统仿真学报, 2002. 03

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