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基于虚拟样机的复杂产品协同设计与仿真关键技术研究

2017/8/1    来源:互联网    作者:钟佩思  刘梅      
关键字:并行工程  虚拟样机  协同设计  协同仿真  过程管理  
主要研究并行工程环境下复杂产品虚拟样机协同设计与仿真的体系结构及其关键技术。提出虚拟样机协同设计与仿真系统的体系结构与整体解决方案,研究面向虚拟样机的数字化多领域集成建模理论与方法,建立面向虚拟样机开发全生命周期的集成过程管理与冲突协调模型,提出面向复杂产品虚拟样机开发的多学科协同设计、协同仿真和智能决策支持的理论与方法,建立复杂产品虚拟样机协同支持环境,有效提高企业创新能力和核心竞争力。

    虚拟样机(Virtual Prototype,VP)技术是一种新型的集成化产品没计与开发手段,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没汁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理论与技术基础。

    1 国内外研究现状

    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=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。

    2 复杂产品虚拟样机协同设计与仿真的体系结构

    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。

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    图1 虚拟样机协同设计与仿真的体系结构

    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 关键技术研究

    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“产品一部件一零件”模型的可重用性。

责任编辑:张纯子
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