專用機械產(chǎn)品總體數(shù)字化設(shè)計框架研究

周陳龍 江超 王波

摘 要 針對專用機械產(chǎn)品研制的數(shù)字化水平不足，影響了設(shè)計效率和研制成本的現(xiàn)狀，開展了總體設(shè)計數(shù)字化研發(fā)框架的規(guī)劃與設(shè)計工作。文章基于專用機械產(chǎn)品總體設(shè)計特點，創(chuàng)建了分布式層次結(jié)構(gòu)，設(shè)計了系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和框架，通過參數(shù)化建模、設(shè)計過程數(shù)字流程化、數(shù)據(jù)管理等方面技術(shù)的研究及設(shè)計，創(chuàng)建了總體設(shè)計工作環(huán)境，數(shù)字化規(guī)范了專用機械產(chǎn)品的設(shè)計過程，為后期全面實現(xiàn)專用機械產(chǎn)品的虛擬設(shè)計提供了基礎(chǔ)和系統(tǒng)框架。

關(guān)鍵詞 專用機械產(chǎn)品;總體設(shè)計;虛擬設(shè)計;數(shù)字研發(fā)

引言

隨著近年人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿科技在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，以及數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等信息技術(shù)的逐漸推進(jìn)，以虛擬樣機為代表的新型產(chǎn)品設(shè)計和過程開發(fā)的方法逐漸融入產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、制造等體系中，對技術(shù)水平的發(fā)展、效率與質(zhì)量的提升起到了顯著作用[1-4]。

對于這類以信息化為手段的新型創(chuàng)新研發(fā)技術(shù)，虛擬設(shè)計技術(shù)在專用機械產(chǎn)品研制中的應(yīng)用尚處于起步階段，缺乏用于專用機械產(chǎn)品研制的數(shù)字化設(shè)計環(huán)境、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計與優(yōu)化的綜合研發(fā)平臺等，限制了專用機械產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。隨著近年我國“一帶一路”倡議的全面推進(jìn)，我國核電迎來了重要的歷史機遇和良好的發(fā)展時機，核電“走出去”已上升為國家戰(zhàn)略。在這種形勢下，更快更好的研制出技術(shù)更為先進(jìn)、性能及經(jīng)濟(jì)性更為優(yōu)越的專用機械產(chǎn)品是核事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。為此，開展了基于虛擬設(shè)計技術(shù)的專用機械產(chǎn)品總體設(shè)計系統(tǒng)的建設(shè)。

1專用機械產(chǎn)品總體設(shè)計特點

多年的專用機械產(chǎn)品研制經(jīng)驗，我國在該領(lǐng)域已積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗，已走向了完全自主研發(fā)的道路，產(chǎn)品設(shè)計已逐漸轉(zhuǎn)向了需求分析、指標(biāo)分解、詳細(xì)設(shè)計、性能仿真、試驗驗證、工藝性設(shè)計的正向研發(fā)流程。但迄今為止，專用機械產(chǎn)品研制很大程度上仍依賴于傳統(tǒng)試驗和設(shè)計經(jīng)驗，相較于現(xiàn)在基于信息化的智能研發(fā)技術(shù)，專用機械產(chǎn)品研制過程的協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化、流程化水平不足，使得設(shè)計過程反復(fù)、研制周期長、成本增加。

專用機械產(chǎn)品的研制包括概念設(shè)計、方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、工程研制、工業(yè)研制等階段。經(jīng)過幾代產(chǎn)品的研制，實際研制進(jìn)程在各代型號中并未發(fā)生明顯的改變，但由于未形成標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計流程，未規(guī)范設(shè)計過程，設(shè)計人員很難全面地明確各階段、各分系統(tǒng)指標(biāo)或參數(shù)的上下層級接口關(guān)系，很難全面把握各專業(yè)設(shè)計參數(shù)的傳遞關(guān)系，不利于各研制環(huán)節(jié)的有效銜接以及設(shè)計總師對研制進(jìn)程的有效管控。同時，由于設(shè)計過程缺乏有效的管控手段，技術(shù)參數(shù)及技術(shù)狀態(tài)管控成本高，各階段形成的材料和成果也難以得到有效積累與利用。另一方面，專用機械產(chǎn)品的設(shè)計包含了靜力學(xué)、動力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、材料力學(xué)、可靠性等多專業(yè)領(lǐng)域。由于目前缺乏完善的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計環(huán)境，總體設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計、材料設(shè)計、工藝設(shè)計、可靠性設(shè)計等各專業(yè)仿真模型之間缺乏良好的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機制，設(shè)計數(shù)據(jù)難以保持動態(tài)一致。由于研制過程未采用必要的信息化手段進(jìn)行數(shù)字化管控，技術(shù)參數(shù)的技術(shù)狀態(tài)主要依賴于文本或口述形式進(jìn)行傳遞，部分技術(shù)過程缺少詳細(xì)記錄，導(dǎo)致問題難追蹤等不利影響。

2總體數(shù)字化設(shè)計框架層次結(jié)構(gòu)

專用機械產(chǎn)品總體數(shù)字化設(shè)計框架主要是開發(fā)用于總體方案設(shè)計的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)。針對此，梳理現(xiàn)有設(shè)計過程及參數(shù)傳遞的邏輯結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)從功能設(shè)計上進(jìn)行區(qū)分，形成如下圖所示的層級設(shè)計過程。從總體而言，僅需對總體性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面的系統(tǒng)級參數(shù)進(jìn)行設(shè)計及參數(shù)匹配，相關(guān)方面的詳細(xì)參數(shù)的設(shè)計完全由下一級子系統(tǒng)如物理性能、機械性能、材料性能等負(fù)責(zé)，而各子系統(tǒng)下的部件級參數(shù)設(shè)計由上一級的子系統(tǒng)，或各部件下的零件級參數(shù)由上一級的部件進(jìn)行局部的總體掌控，通過這種層級設(shè)計方式的設(shè)計，不僅能解決設(shè)計過程冗余的問題，同時還能讓很大部分的零部件進(jìn)行并行設(shè)計，提高了總體設(shè)計效率，這一層級結(jié)構(gòu)的劃分是總體數(shù)字化設(shè)計框架建設(shè)的必要前提。

根據(jù)專用機械產(chǎn)品的研發(fā)經(jīng)驗、過程及層次結(jié)構(gòu)，設(shè)計了數(shù)字研發(fā)框架，總體實現(xiàn)分三個層次，第一層是基礎(chǔ)數(shù)字化環(huán)境，基于專用機械產(chǎn)品研制的業(yè)務(wù)、設(shè)計等過程，將任務(wù)、指標(biāo)、技術(shù)材料等各類資料以數(shù)字形式表達(dá)，建立參數(shù)化模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，集成搭建數(shù)字化設(shè)計環(huán)境，基本實現(xiàn)研制和設(shè)計過程的數(shù)字化驅(qū)動及關(guān)鍵過程的數(shù)字樣機;第二層是核心設(shè)計數(shù)字化能力，即基于專用機械產(chǎn)品設(shè)計流程化的能力建設(shè)，從需求分析與評價、設(shè)計與仿真、工藝與制造、試驗等方面開展流程化、并行化的設(shè)計能力建設(shè)，同時通過驗?zāi)＜夹g(shù)，提高仿真精度，基本實現(xiàn)需求引導(dǎo)設(shè)計、仿真驅(qū)動設(shè)計;第三層是創(chuàng)新設(shè)計能力，即基于知識驅(qū)動的創(chuàng)新研發(fā)能力建設(shè)，通過產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，建立完整的虛擬樣機，形成高置信度的知識庫，實現(xiàn)知識的積累、共享與復(fù)用[5]。

3數(shù)字化設(shè)計框架的技術(shù)實現(xiàn)

3.1 基于專用機械產(chǎn)品設(shè)計的參數(shù)化模型

參數(shù)化模型主要是為了以參數(shù)化形式描述專用機械產(chǎn)品的總體設(shè)計過程，通過梳理專用機械產(chǎn)品的設(shè)計過程和經(jīng)驗，分析專用機械產(chǎn)品研制各階段、各分系統(tǒng)的任務(wù)、指標(biāo)、設(shè)計參數(shù)，建立專用機械產(chǎn)品設(shè)計的樹狀結(jié)構(gòu)圖，并以參數(shù)化形式進(jìn)行表述，明確樹狀結(jié)構(gòu)各層級或同層級各專業(yè)設(shè)計的參數(shù)交互關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立參數(shù)化模型，最終以參數(shù)化的形式描述專用機械產(chǎn)品的研制過程，以數(shù)字化形式驅(qū)動專用機械產(chǎn)品的總體設(shè)計。

3.2 基于研制進(jìn)程的數(shù)字設(shè)計流程

專用機械產(chǎn)品是由若干個分系統(tǒng)構(gòu)成的統(tǒng)一體，各分系統(tǒng)之間有機聯(lián)系，其設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性工程設(shè)計，是一個多目標(biāo)、多參數(shù)的綜合優(yōu)化設(shè)計過程，從專用機械產(chǎn)品系統(tǒng)、分系統(tǒng)、到部件的設(shè)計，從項目研究、課題任務(wù)、專題任務(wù)、到年度計劃，設(shè)計任務(wù)存在多重的層級轉(zhuǎn)化，設(shè)計專業(yè)動態(tài)交叉又緊密銜接，設(shè)計方案多、循環(huán)交互頻繁?，F(xiàn)階段，由于未形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化流程，設(shè)計人員很難全面了解各研制階段的內(nèi)容和指標(biāo)要求，很難明確各階段、各分系統(tǒng)指標(biāo)或參數(shù)的上下層級的接口關(guān)系，很難全面把握各專業(yè)設(shè)計參數(shù)的傳遞關(guān)系。

根據(jù)專用機械產(chǎn)品的研制進(jìn)程和設(shè)計過程，基于設(shè)計的參數(shù)化樹狀結(jié)構(gòu)，分析各研制階段、各分系統(tǒng)的任務(wù)、指標(biāo)之間的關(guān)系，規(guī)劃層級節(jié)點，建立專用機械產(chǎn)品設(shè)計流程，數(shù)字化規(guī)范設(shè)計流程，以數(shù)字化形式驅(qū)動設(shè)計任務(wù)的層級分發(fā)，以流程形式驅(qū)動各分系統(tǒng)的有效協(xié)作設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計過程總體技術(shù)狀態(tài)的數(shù)字化管理。

3.3 設(shè)計過程數(shù)據(jù)管理

專用機械產(chǎn)品研制從需求、定型到工業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的設(shè)計、試驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對專用機械產(chǎn)品的研制起到了極為重要的作用。長期以來，專用機械產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是以文本形式記錄，在后續(xù)設(shè)計過程中再以文本或口述形式進(jìn)行傳遞，對于不同設(shè)計部門的設(shè)計數(shù)據(jù)，往往還需經(jīng)過紙質(zhì)文件申請、審批、借閱等手續(xù)，極大降低了數(shù)據(jù)利用率。同時，這種數(shù)據(jù)傳遞方式也容易導(dǎo)致設(shè)計經(jīng)驗積累慢、問題追蹤難等不利影響。

通過分析設(shè)計過程中所涉及的指標(biāo)、參數(shù)、模型、文件、報告等需要管理的數(shù)據(jù)形式和內(nèi)容，采用版本控制的方式，逐步管理已有的和當(dāng)前產(chǎn)生的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，建立數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)（如圖6），以此對設(shè)計參數(shù)及其狀態(tài)變更的動態(tài)數(shù)字化管控和設(shè)計經(jīng)驗的高效利用。

3.4 集成應(yīng)用環(huán)境

專用機械產(chǎn)品設(shè)計是一個多專業(yè)多學(xué)科協(xié)同仿真與設(shè)計的過程，涉及的專業(yè)類別多，學(xué)科廣泛。目前，由于缺乏統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計環(huán)境，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計人員設(shè)計時出現(xiàn)同一專業(yè)同一設(shè)計工具的版本不一致、同一專業(yè)但設(shè)計工具種類不一致等多種情形，使得設(shè)計工具、設(shè)計人員之間的數(shù)據(jù)傳遞不順暢，學(xué)科間設(shè)計模型差異性較大，不利于多專業(yè)多學(xué)科的協(xié)同設(shè)計與仿真，不利于設(shè)計效率的提升。因此，將設(shè)計工具集成在同一設(shè)計環(huán)境中是實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計與仿真的必要前提之一。

為此，采用文件封裝、COM組件化封裝集成、插件封裝等技術(shù)途徑，開發(fā)模型和數(shù)據(jù)接口，對涉及的ANSYS、Nastran、Matlab等專業(yè)商業(yè)軟件，基于C＼C++、Fortran等自研開發(fā)的程序代碼，Isight等優(yōu)化設(shè)計軟件進(jìn)行集成和封裝。開發(fā)軟件接口，直接讀取原始格式模型文件、直接生成相應(yīng)軟件輸入文件、通過軟件調(diào)用實現(xiàn)耦合仿真分析、直接生成相關(guān)軟件輸入文件等。通過設(shè)計工具集成，實現(xiàn)同一設(shè)計平臺上多種設(shè)計工具的訪問和調(diào)用。

4結(jié)束語

通過對專用機械產(chǎn)品的參數(shù)化建模、設(shè)計過程的數(shù)字流程化、過程數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理及集成應(yīng)用環(huán)境等方面的研究及設(shè)計，規(guī)范了設(shè)計過程，更好的協(xié)助了各專業(yè)進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計過程和交互，實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的總體技術(shù)狀態(tài)管理等，這也解決了專用機械產(chǎn)品當(dāng)前設(shè)計中面臨的一些關(guān)鍵性問題，同時也能為后期多學(xué)科協(xié)同仿真、虛擬樣機開發(fā)等方面的虛擬設(shè)計建設(shè)提供基本框架，為全面實現(xiàn)專用機械產(chǎn)品的虛擬設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

周陳龍（1982-），男，湖南省澧縣人;學(xué)歷：碩士，職稱：副研究員，現(xiàn)就職單位：核工業(yè)理化工程研究院，研究方向：數(shù)字化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用、基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用。