专用机械产品总体数字化设计框架研究

周陈龙 江超 王波

摘 要 针对专用机械产品研制的数字化水平不足，影响了设计效率和研制成本的现状，开展了总体设计数字化研发框架的规划与设计工作。文章基于专用机械产品总体设计特点，创建了分布式层次结构，设计了系统的逻辑结构和框架，通过参数化建模、设计过程数字流程化、数据管理等方面技术的研究及设计，创建了总体设计工作环境，数字化规范了专用机械产品的设计过程，为后期全面实现专用机械产品的虚拟设计提供了基础和系统框架。

关键词 专用机械产品;总体设计;虚拟设计;数字研发

引言

随着近年人工智能、大数据等前沿科技在世界范围内的蓬勃发展，以及数字化、网络化、智能化等信息技术的逐渐推进，以虚拟样机为代表的新型产品设计和过程开发的方法逐渐融入产品研发、生产、制造等体系中，对技术水平的发展、效率与质量的提升起到了显著作用[1-4]。

对于这类以信息化为手段的新型创新研发技术，虚拟设计技术在专用机械产品研制中的应用尚处于起步阶段，缺乏用于专用机械产品研制的数字化设计环境、多专业协同设计与优化的综合研发平台等，限制了专用机械产品技术的创新与发展。随着近年我国“一带一路”倡议的全面推进，我国核电迎来了重要的历史机遇和良好的发展时机，核电“走出去”已上升为国家战略。在这种形势下，更快更好的研制出技术更为先进、性能及经济性更为优越的专用机械产品是核事业发展的必然趋势。为此，开展了基于虚拟设计技术的专用机械产品总体设计系统的建设。

1专用机械产品总体设计特点

多年的专用机械产品研制经验，我国在该领域已积累了丰富的理论和实践经验，已走向了完全自主研发的道路，产品设计已逐渐转向了需求分析、指标分解、详细设计、性能仿真、试验验证、工艺性设计的正向研发流程。但迄今为止，专用机械产品研制很大程度上仍依赖于传统试验和设计经验，相较于现在基于信息化的智能研发技术，专用机械产品研制过程的协同设计、数字化、流程化水平不足，使得设计过程反复、研制周期长、成本增加。

专用机械产品的研制包括概念设计、方案设计、详细设计、工程研制、工业研制等阶段。经过几代产品的研制，实际研制进程在各代型号中并未发生明显的改变，但由于未形成标准的设计流程，未规范设计过程，设计人员很难全面地明确各阶段、各分系统指标或参数的上下层级接口关系，很难全面把握各专业设计参数的传递关系，不利于各研制环节的有效衔接以及设计总师对研制进程的有效管控。同时，由于设计过程缺乏有效的管控手段，技术参数及技术状态管控成本高，各阶段形成的材料和成果也难以得到有效积累与利用。另一方面，专用机械产品的设计包含了静力学、动力学、流体力学、电磁学、材料力学、可靠性等多专业领域。由于目前缺乏完善的数字化协同设计环境，总体设计、分系统设计、材料设计、工艺设计、可靠性设计等各专业仿真模型之间缺乏良好的数据关联机制，设计数据难以保持动态一致。由于研制过程未采用必要的信息化手段进行数字化管控，技术参数的技术状态主要依赖于文本或口述形式进行传递，部分技术过程缺少详细记录，导致问题难追踪等不利影响。

2总体数字化设计框架层次结构

专用机械产品总体数字化设计框架主要是开发用于总体方案设计的数字化协同设计系统。针对此，梳理现有设计过程及参数传递的逻辑结构，将产品系统的设计结构从功能设计上进行区分，形成如下图所示的层级设计过程。从总体而言，仅需对总体性能、可靠性、经济性等方面的系统级参数进行设计及参数匹配，相关方面的详细参数的设计完全由下一级子系统如物理性能、机械性能、材料性能等负责，而各子系统下的部件级参数设计由上一级的子系统，或各部件下的零件级参数由上一级的部件进行局部的总体掌控，通过这种层级设计方式的设计，不仅能解决设计过程冗余的问题，同时还能让很大部分的零部件进行并行设计，提高了总体设计效率，这一层级结构的划分是总体数字化设计框架建设的必要前提。

根据專用机械产品的研发经验、过程及层次结构，设计了数字研发框架，总体实现分三个层次，第一层是基础数字化环境，基于专用机械产品研制的业务、设计等过程，将任务、指标、技术材料等各类资料以数字形式表达，建立参数化模型和基础数据库，集成搭建数字化设计环境，基本实现研制和设计过程的数字化驱动及关键过程的数字样机;第二层是核心设计数字化能力，即基于专用机械产品设计流程化的能力建设，从需求分析与评价、设计与仿真、工艺与制造、试验等方面开展流程化、并行化的设计能力建设，同时通过验模技术，提高仿真精度，基本实现需求引导设计、仿真驱动设计;第三层是创新设计能力，即基于知识驱动的创新研发能力建设，通过产品全生命周期数据管理系统，建立完整的虚拟样机，形成高置信度的知识库，实现知识的积累、共享与复用[5]。

3数字化设计框架的技术实现

3.1 基于专用机械产品设计的参数化模型

参数化模型主要是为了以参数化形式描述专用机械产品的总体设计过程，通过梳理专用机械产品的设计过程和经验，分析专用机械产品研制各阶段、各分系统的任务、指标、设计参数，建立专用机械产品设计的树状结构图，并以参数化形式进行表述，明确树状结构各层级或同层级各专业设计的参数交互关系，以此为基础建立参数化模型，最终以参数化的形式描述专用机械产品的研制过程，以数字化形式驱动专用机械产品的总体设计。

3.2 基于研制进程的数字设计流程

专用机械产品是由若干个分系统构成的统一体，各分系统之间有机联系，其设计是一个复杂的系统性工程设计，是一个多目标、多参数的综合优化设计过程，从专用机械产品系统、分系统、到部件的设计，从项目研究、课题任务、专题任务、到年度计划，设计任务存在多重的层级转化，设计专业动态交叉又紧密衔接，设计方案多、循环交互频繁。现阶段，由于未形成标准的数字化流程，设计人员很难全面了解各研制阶段的内容和指标要求，很难明确各阶段、各分系统指标或参数的上下层级的接口关系，很难全面把握各专业设计参数的传递关系。

根据专用机械产品的研制进程和设计过程，基于设计的参数化树状结构，分析各研制阶段、各分系统的任务、指标之间的关系，规划层级节点，建立专用机械产品设计流程，数字化规范设计流程，以数字化形式驱动设计任务的层级分发，以流程形式驱动各分系统的有效协作设计，实现设计过程总体技术状态的数字化管理。

3.3 设计过程数据管理

专用机械产品研制从需求、定型到工业化应用，产生了大量的设计、试验数据，这些数据对专用机械产品的研制起到了极为重要的作用。长期以来，专用机械产品设计过程中产生的数据主要是以文本形式记录，在后续设计过程中再以文本或口述形式进行传递，对于不同设计部门的设计数据，往往还需经过纸质文件申请、审批、借阅等手续，极大降低了数据利用率。同时，这种数据传递方式也容易导致设计经验积累慢、问题追踪难等不利影响。

通过分析设计过程中所涉及的指标、参数、模型、文件、报告等需要管理的数据形式和内容，采用版本控制的方式，逐步管理已有的和当前产生的关键技术参数，建立数据管理子系统（如图6），以此对设计参数及其状态变更的动态数字化管控和设计经验的高效利用。

3.4 集成应用环境

专用机械产品设计是一个多专业多学科协同仿真与设计的过程，涉及的专业类别多，学科广泛。目前，由于缺乏统一的协同设计环境，缺乏统一的数据标准，设计人员设计时出现同一专业同一设计工具的版本不一致、同一专业但设计工具种类不一致等多种情形，使得设计工具、设计人员之间的数据传递不顺畅，学科间设计模型差异性较大，不利于多专业多学科的协同设计与仿真，不利于设计效率的提升。因此，将设计工具集成在同一设计环境中是实现协同设计与仿真的必要前提之一。

为此，采用文件封装、COM组件化封装集成、插件封装等技术途径，开发模型和数据接口，对涉及的ANSYS、Nastran、Matlab等专业商业软件，基于C＼C++、Fortran等自研开发的程序代码，Isight等优化设计软件进行集成和封装。开发软件接口，直接读取原始格式模型文件、直接生成相应软件输入文件、通过软件调用实现耦合仿真分析、直接生成相关软件输入文件等。通过设计工具集成，实现同一设计平台上多种设计工具的访问和调用。

4结束语

通过对专用机械产品的参数化建模、设计过程的数字流程化、过程数据的数字化管理及集成应用环境等方面的研究及设计，规范了设计过程，更好的協助了各专业进行数字化的设计过程和交互，实现设计参数的总体技术状态管理等，这也解决了专用机械产品当前设计中面临的一些关键性问题，同时也能为后期多学科协同仿真、虚拟样机开发等方面的虚拟设计建设提供基本框架，为全面实现专用机械产品的虚拟设计奠定基础。

参考文献

[1] 王钢林，武哲.基于虚拟样机的飞机总体设计环境的体系研究[J].航空学报，2005，26（2）：162-167.

[2] 赵建卫，唐硕.飞行器虚拟样机分布仿真实现[J].计算机仿真， 2002，19（2）：39-42.

[3] 孙刚.基于模型的飞控系统总体设计技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2015.

[4] 唐硕，陈士橹，赵建卫.飞行器设计与试验技术的虚拟样机技术[J].航宇学报，2000，21（z1）：1-6.

[5] 黄晓云，张国忠，田国富.汽车总体设计参数选择专家系统[J].现代机械，2003（2）：64-66.

作者简介

周陈龙（1982-），男，湖南省澧县人;学历：硕士，职称：副研究员，现就职单位：核工业理化工程研究院，研究方向：数字化设计技术应用、基于模型的系统工程应用。