產(chǎn)品數(shù)字化設計與驗證技術(shù)發(fā)展綜述

劉鵬飛 朱興高 欒家輝 代永德 陳維良

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

1 引言

數(shù)字化是在設計、分析、制造和試驗過程中，以數(shù)字樣機為核心，以單一數(shù)據(jù)源管理為紐帶，以數(shù)字信息的生產(chǎn)、修改、傳輸、使用、分析、儲存等為基礎，以數(shù)字信息為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)依據(jù)進行設計、制造和試驗[1,2]。產(chǎn)品數(shù)字化設計是面向產(chǎn)品從設計、分析、制造、裝配到維護、銷售、服務等全生命周期各個環(huán)節(jié)的無紙化設計，其核心是設計過程中各種信息的離散化[1]。數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)對數(shù)字模型的反饋，以保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)。

數(shù)字化發(fā)展的背景是信息技術(shù)的快速發(fā)展和普及，數(shù)字化的快速發(fā)展提高了生產(chǎn)力和生活質(zhì)量，促進了社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展。數(shù)字化發(fā)展階段包括計算機技術(shù)的發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)的興起、人工智能技術(shù)的崛起。從最初的計算機技術(shù)到現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)和人工智能，數(shù)字化已經(jīng)深入到各行各業(yè)中，是現(xiàn)代社會不可缺少的一部分。在航空航天領域，依托數(shù)字化技術(shù)，建設航空航天產(chǎn)品的數(shù)字化平臺成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢。數(shù)字化技術(shù)可以有效地彌補航天產(chǎn)品子樣少、地面及實際運行試驗數(shù)據(jù)相對缺乏的劣勢，提高分析產(chǎn)品可靠性的精確性。

本文圍繞國內(nèi)外先進協(xié)同設計模式、數(shù)字化建模與仿真軟件、數(shù)字化仿真驗證的相關技術(shù)與流程、國外先進仿真方法等內(nèi)容，探討了產(chǎn)品數(shù)字化設計與驗證技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。目前，產(chǎn)品數(shù)字化設計與驗證已成為提升設計水平、提高研制效率的重要技術(shù)，依托數(shù)字化技術(shù)，產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)周期將大幅度縮短，產(chǎn)品制造精度將穩(wěn)步提升，質(zhì)量將大幅改善，成本將明顯降低。

2 產(chǎn)品數(shù)字化設計

產(chǎn)品數(shù)字化面向全生命周期的各個環(huán)節(jié)，從設計、分析、制造、裝配到維修、銷售、服務等過程[3]。數(shù)字化設計的所有資料都是用數(shù)字的方式表達，在計算機上完成了所有的設計、預裝和模擬試驗等工作。將自然界中的物理現(xiàn)象、模糊的不確定現(xiàn)象、人的經(jīng)驗技巧等離散化，再進行數(shù)字化處理，就可以很好地實現(xiàn)這一技術(shù)[4,5]。在數(shù)字化設計中比較成熟的領域之一是CAD。CAD 技術(shù)的概念最早是在1950年由美國麻省理工學院提出的。隨著后期技術(shù)的成熟，CAD 已成功應用于美國航空業(yè)。其中，CAD/CAM 繪圖軟件最早由洛克希德馬丁飛機制造公司研發(fā)。20世紀70年代，美國和歐洲等發(fā)達國家都開始積極研究飛機數(shù)字化設計和制造技術(shù)。隨后，產(chǎn)品數(shù)字化設計技術(shù)已經(jīng)具備良好的基礎，能夠使先進數(shù)字化制造技術(shù)得以實現(xiàn)[6]。近年來，國產(chǎn)CAD 技術(shù)快速發(fā)展，安懷信自主研發(fā)了SPIDER 協(xié)同管控平臺，可實現(xiàn)全生命周期模型管理、SYSML/CAD/CAE 工具和模型集成、系統(tǒng)參數(shù)模型構(gòu)建、系統(tǒng)工程研制過程協(xié)同等功能。中望CAD、CAXA、浩辰CAD、堯創(chuàng)CAD、緯衡CAD、CrownCAD 等均具有自主知識產(chǎn)權(quán)，并具有強大的作圖功能，眾多國產(chǎn)軟件的涌現(xiàn)和發(fā)展充分體現(xiàn)了國內(nèi)數(shù)字化設計技術(shù)水平的提升。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，國外基本實現(xiàn)了以波音、空客為代表的飛機設計制造全面數(shù)字化，使飛機的設計制造水平有了很大的提高，使行業(yè)內(nèi)的資源和設計制造能力得到了充分利用，其作用是十分明顯的[7,8]。以下三個方面體現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化設計的應用特點。第一，數(shù)字化設計改變了產(chǎn)品的研制模式。在現(xiàn)代飛行器的設計過程中，由原來基于實物樣機的串行方式演變?yōu)榛跀?shù)字樣機的并行方式，以便于實現(xiàn)多學科的協(xié)同設計。產(chǎn)品設計協(xié)同工作不需要集中辦公，而是分布在不同的工作地點，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化交互設計。1984年格里夫和卡什曼提出的現(xiàn)代產(chǎn)品設計中，計算機所支持的數(shù)字化協(xié)同工作發(fā)揮了十分重要的作用。為了開發(fā)能夠支持分布式協(xié)同的系統(tǒng)，歐洲開展了EspritII 計劃的相關項目[9]。波音公司在產(chǎn)品研制過程中采用了“抓兩頭”式的數(shù)字化分布協(xié)同工作模式，其負責飛機總體設計和對接總裝，向零部件制造單位移交工作量極其繁重的細節(jié)設計工作，提高了波音787 客機的設計制造效率。第二，數(shù)字化設計提高了產(chǎn)品開發(fā)效率。數(shù)字化設計將處于分散狀態(tài)的研制企業(yè)和技術(shù)人員整合在一個平臺協(xié)同開展工作，并獲得共享的數(shù)字化產(chǎn)品相關信息。數(shù)字化設計保證了研制過程中不同階段、不同技術(shù)人員之間工作的并行及信息的共享，促進了產(chǎn)品的研制效率。第三，數(shù)字化設計貫穿了產(chǎn)品的開發(fā)全過程，主要體現(xiàn)在以模型定義MBD(Model Based Definition)技術(shù)為主導。該技術(shù)針對概念設計、初步設計、細節(jié)設計、制作準備、評估檢驗等階段，明確了產(chǎn)品制造中的必要信息。MBD技術(shù)最早由波音公司提出，在設計制造波音787 客機時實踐了這一技術(shù)，并得到國際的普遍認可[6]。MBD數(shù)據(jù)集包括MBD 零件數(shù)據(jù)集與MBD 裝配數(shù)據(jù)集。MBD 零件數(shù)據(jù)集包括實體幾何模型、尺寸、公差標注等數(shù)據(jù)；MBD 裝配數(shù)據(jù)集包括裝配的產(chǎn)品模型、工裝模型、裝配順序等數(shù)據(jù)，是開展裝配仿真的依據(jù)，圖1所示為基于MBD 的裝配模型定義。PDM(Product Data Management)作為一種產(chǎn)品生命周期的管理技術(shù)，主要用于將產(chǎn)品相關信息與其相關的過程集成到一起，從而使PDM 系統(tǒng)能夠管理從產(chǎn)品概念至產(chǎn)品報廢的全周期內(nèi)的信息。目前，PDM 系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應用于航天、航空、船舶等行業(yè)中，PDM 是實現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同設計和信息管理的重要數(shù)字化技術(shù)。

圖1 基于MBD 的裝配模型定義

20世紀70年代，國內(nèi)制造業(yè)開始應用數(shù)字化技術(shù)，航天領域產(chǎn)品的開發(fā)由串聯(lián)式向并聯(lián)式協(xié)同工作方式轉(zhuǎn)變，并向國際合作開發(fā)的模式進一步轉(zhuǎn)變[8]。李想等構(gòu)建了航空產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)標準體系，利用數(shù)字化手段對傳統(tǒng)研發(fā)模式進行改造，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)、信息、資源等在協(xié)同環(huán)境下的融合[10]。研究人員針對通信衛(wèi)星電纜提出了實現(xiàn)航天器高頻電纜快速數(shù)字化設計的方法[11,12]。李強等以大型運載火箭總裝數(shù)字化對接工藝與總體布局、對接集成控制方法等關鍵技術(shù)為重點，采用數(shù)字化設計方法，提出了大型運載火箭數(shù)字化對接技術(shù)[13]。在運載火箭進行數(shù)字化設計時，產(chǎn)品的初步設計階段就提前進行CAE 的工作，使CAE和CAD 并行，對提早發(fā)現(xiàn)設計中的問題是有利的。建立智能化的CAD/CAE 仿真流程管理與集成系統(tǒng)，并根據(jù)CAD/CAE 現(xiàn)狀建立設計工程庫，為CAD/CAE并聯(lián)運行、提高工作效率奠定基礎[14]。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，在我國航空航天產(chǎn)品研制中，應用產(chǎn)品數(shù)字化設計技術(shù)已成為提升設計水平、縮短設計周期、降低設計成本、提高研制效率的有效途徑。

3 產(chǎn)品數(shù)字化驗證

數(shù)字化仿真驗證技術(shù)是在真實、虛擬和模擬條件下對于產(chǎn)品系統(tǒng)與關鍵核心部件功能、性能與可靠性的驗證過程。數(shù)字化仿真驗證的頂層輸入為產(chǎn)品需求分析，掌握產(chǎn)品的研制情況、應用需求等信息，圍繞安裝工藝性、功能性能、環(huán)境適應性和壽命可靠性對產(chǎn)品數(shù)字化驗證開展需求分析，如圖2所示。安裝工藝性需求分析可識別產(chǎn)品安裝工藝和程序的合理性、適用性要求等。功能性能需求分析可識別產(chǎn)品的通用功能性能、特殊功能性能以及極限應用要求等。環(huán)境適應性需求分析可識別產(chǎn)品使用的環(huán)境因素。產(chǎn)品壽命可靠性需求分析可識別產(chǎn)品的全部壽命可靠性要求，包括產(chǎn)品設計、制造、材料等方面的可靠性要求等。數(shù)字化仿真驗證技術(shù)是建立在虛擬試驗技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、可靠性試驗驗證技術(shù)、故障物理技術(shù)等研究基礎上的一種新型復合技術(shù)，通過建立包含應力損傷與退化失效信息的虛擬試驗模型，以虛擬試驗方式開展功能性能與可靠性試驗驗證，進而得出產(chǎn)品在多復雜環(huán)境應力和工作應力下的可靠性信息。

圖2 數(shù)字化仿真驗證技術(shù)示意圖

3.1 虛擬試驗技術(shù)

國外產(chǎn)品大量采用了虛擬試驗驗證技術(shù)，獲得了極大的成功[16]。以美國為代表的國家投入巨資研究綜合試驗驗證技術(shù)，其“低風險、高效率、高覆蓋性”的特點，逐漸成為一種重要的試驗方式，與實物驗證并重。此外，國外對綜合測試環(huán)境的研究也已經(jīng)十分成熟，涌現(xiàn)出了系統(tǒng)級的平臺，以Sedris 為代表，對大型綜合測試環(huán)境進行建模、轉(zhuǎn)化、共享和發(fā)布。國內(nèi)已在產(chǎn)品虛擬試驗驗證關鍵技術(shù)研究和應用方面取得初步成果，為構(gòu)建聯(lián)合試驗驗證系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎。南京航空航天大學開展了振動臺虛擬試驗建模與驗證技術(shù)研究。此外，三軸虛擬轉(zhuǎn)臺可視化系統(tǒng)由北京航空航天大學利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建而成。

3.2 計算機仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是一種新興的試驗方法，在20世紀40年代后期隨計算機技術(shù)的發(fā)展逐漸形成。最初的仿真技術(shù)主要用于少數(shù)領域，如航天、航空、原子能等[17]。CAE 技術(shù)的早期發(fā)展是在20世紀50年代末及60年代初，美國和歐洲開始在有限元程序的開發(fā)上投入大量的精力[18]。美國國家航空航天局(NASA)于1965年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)了NASTRAN 有限元分析系統(tǒng)。同時，德國ASKA、英國PAFEC、法國SYSTUS、美國ABAQUS、ANSYS等迅速崛起。1967年，SDRC 公司成立，并于1968年發(fā)布了世界上第一個動力學測試和模態(tài)分析軟件包，隨后有限元分析軟件SERTAB 也于1971年推出，并開始商業(yè)化。SASI 公司于1969年成立，并于1970年發(fā)布了商用軟件ANSYS，ANSYS 最初只能做熱分析與線性結(jié)構(gòu)分析[18]。此后，計算機技術(shù)和信息科學飛速發(fā)展，為仿真技術(shù)的應用提供了技術(shù)基礎和物質(zhì)基礎。

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，我國的計算機仿真技術(shù)已經(jīng)成為從處理簡單系統(tǒng)到解決復雜系統(tǒng)問題的有力工具。仿真技術(shù)已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個領域，在國家經(jīng)濟建設中占據(jù)著重要的地位。國產(chǎn)CAE 軟件的研制工作從上個世紀60年代開始，基本上同步于美國和歐洲[18,19]。20世紀90年代，我國開始研究從單一平臺的性能仿真向多平臺聯(lián)合仿真發(fā)展，形成分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進仿真技術(shù)。目前，國產(chǎn)仿真軟件飛速發(fā)展，安懷信自主開發(fā)了SimV&Ver 仿真模型驗證及確認工具包，包括靜力學模型驗證及確認工具、動力學模型驗證及確認工具、仿真模型與性能虛擬樣機管理等功能。中望仿真軟件研發(fā)了中望電磁仿真、中望結(jié)構(gòu)仿真、ZWMeshWorks 等產(chǎn)品。索辰性能仿真工具包括流體仿真軟件、高度非線性結(jié)構(gòu)軟件、電磁仿真軟件、EMT 多學科協(xié)同設計仿真等。瑞蘭恒通形成了成套自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)工業(yè)軟件，包括結(jié)構(gòu)耐久性設計分析軟件DURA、多學科設計優(yōu)化系統(tǒng)OptiSpace 和數(shù)字化仿真系統(tǒng)SimSpace 等。航空結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)HAJIF 是國內(nèi)航空領域的大型CAE 軟件系統(tǒng)，以提供飛行器結(jié)構(gòu)強度、熱強度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等功能。國內(nèi)同元軟控開發(fā)的MWorks 系統(tǒng)、數(shù)巧科技開發(fā)的Simright 國產(chǎn)云端CAE、安世亞太開發(fā)的PERA SIM 通用仿真軟件、大連理工大學研發(fā)的SIPESC、河南科技大學研發(fā)的SARB 滾動軸承仿真系統(tǒng)，均擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并具有強大的仿真功能。國產(chǎn)CAE 軟件的發(fā)展已相對成熟，國產(chǎn)軟件中加入了協(xié)同設計模式、標準件庫、材料數(shù)據(jù)庫等，提高了產(chǎn)品的研制效率。

3.3 可靠性試驗驗證技術(shù)

加速壽命試驗(ALT)作為一項可以評估產(chǎn)品壽命和可靠性指標的加速試驗技術(shù)，其關注度高且應用廣泛。美國空軍羅姆發(fā)展中心在1960年首先提出了基于可靠性物理的加速壽命試驗。加速壽命試驗技術(shù)在近幾十年得到了飛速發(fā)展，在宇航、電子、能源、車輛等領域得到了廣泛的應用。在新產(chǎn)品研發(fā)中，惠普、福特等國際知名企業(yè)紛紛采用加速壽命試驗方法，獲得了高可靠性且經(jīng)濟效益明顯提升。波音在應用該技術(shù)時，由于傳統(tǒng)可靠性驗證手段效率較低，因此提出了可靠性強化試驗的概念，最早從事這項試驗工作的技術(shù)人員將該試驗稱為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)[23]。其中，HALT 針對的是產(chǎn)品設計，而HASS 則是產(chǎn)品生產(chǎn)。美國在80年代末至90年代初將可靠性強化試驗技術(shù)應用于各個工業(yè)部門，波音公司早在1994年就已經(jīng)在波音777 客機應用了這一技術(shù)并獲得成功[23]。20世紀70年代初，加速壽命試驗技術(shù)進入我國，并于1981年頒布了相關國家標準[24]。目前，加速壽命試驗技術(shù)在各行業(yè)得到廣泛應用，提高試驗效率。

3.4 故障物理技術(shù)

在故障物理技術(shù)研究方面，美國馬里蘭大學CALCE 中心處于領先地位，該中心基于故障物理提出了成熟的可靠性技術(shù)研究流程。尋找故障物理模型和開發(fā)相應模擬工具是故障物理技術(shù)用于提高和評價系統(tǒng)環(huán)境可靠性的關鍵，馬里蘭大學已開發(fā)出兩種模型并在實踐中得到應用[25]。國內(nèi)的故障物理技術(shù)發(fā)展以跟蹤國外技術(shù)為主。北京航空航天大學將基于故障物理的可靠性分析技術(shù)應用于故障預測與健康管理中，并通過云計算、大數(shù)據(jù)、仿真和智能推理算法為企業(yè)產(chǎn)品可靠性提供解決方案。數(shù)字孿生是一種將物理世界數(shù)字化的新技術(shù)，是以數(shù)字方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、算法模型等，模擬、驗證、預測和控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段。在航空航天領域中，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)︼w行器進行仿真、測試和監(jiān)控，提高了飛行器的安全性和運行效率。未來數(shù)字孿生技術(shù)還將與虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)等協(xié)同應用，達到更加全面地通過數(shù)字孿生模型實現(xiàn)物理世界的仿真。

4 結(jié)束語

借鑒國內(nèi)外數(shù)字化設計與驗證相關經(jīng)驗，通過多學科協(xié)同研制的思想、“抓兩頭”的做法、基于模型定義MBD 技術(shù)、PDM 系統(tǒng)等，并結(jié)合虛擬試驗驗證技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、可靠性試驗驗證、故障物理技術(shù)等，開展產(chǎn)品數(shù)字化設計與驗證。搭建智能化的CAD/CAE 仿真流程管理與集成系統(tǒng)，建立工程數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準，是提高產(chǎn)品研制效率的重要基礎。多學科協(xié)同設計的產(chǎn)品數(shù)字化研制模式能夠提高研制效率，縮短研制周期，降低產(chǎn)品研制成本，對提高產(chǎn)品數(shù)字化設計與驗證能力具有重要作用。PDM 系統(tǒng)助力產(chǎn)品的協(xié)同工作及管理，在未來將會不斷發(fā)展并適應不同的市場需求，為產(chǎn)品的全生命周期提供強大的數(shù)據(jù)管理和協(xié)作環(huán)境。

當前的國產(chǎn)CAD/CAE 軟件發(fā)展已較為成熟，國內(nèi)已開發(fā)出眾多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的建模及仿真驗證軟件。國產(chǎn)軟件引入了標準件庫、材料數(shù)據(jù)庫等，并且實現(xiàn)了參數(shù)化建模功能以及云端協(xié)作模式，便于由傳統(tǒng)單機向多人協(xié)同設計轉(zhuǎn)變，提高了國內(nèi)產(chǎn)品數(shù)字化設計與驗證的工作效率。通過數(shù)字化設計與驗證技術(shù)完成產(chǎn)品研制模式的轉(zhuǎn)型，將傳統(tǒng)試驗驗證轉(zhuǎn)化為數(shù)實結(jié)合驗證，不斷做強做優(yōu)做大數(shù)字經(jīng)濟，加快推動我國數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。