隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，先進(jìn)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，各種新思想和新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。自20世紀(jì)70年代以來，CAx技術(shù)在制造企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，使企業(yè)擺脫了傳統(tǒng)的工作方式，設(shè)計開發(fā)能力得到了極大的提高；20世紀(jì)80年代初，以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)開始受到普遍重視并得到廣泛實施，在CIMS技術(shù)發(fā)展的帶動下，設(shè)計技術(shù)開始從局部應(yīng)用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用，即將原有的CAx/DFx等技術(shù)集成起來解決問題；20世紀(jì)80年代末，以過程集成為核心的并行工程(Concurrent Engineering，CE)理念的提出使設(shè)計信息化水平得到了進(jìn)一步的提高，出現(xiàn)了PDM思想，用來對設(shè)計技術(shù)過程集成和管理；進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著理論研究的不斷深入以及各種支撐技術(shù)的不斷完善，許多新的思想和概念陸續(xù)被提出，典型的如虛擬制造(Virtual Manufacturing，VM)、敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)、虛擬企業(yè)(Virtual EntERPrise，VE)，設(shè)計方法中更加強調(diào)協(xié)同設(shè)計(Collaboration Design)、協(xié)同仿真(Collaboration Simulation)以及基于PLM的設(shè)計信息集成。

    21世紀(jì)初，隨著產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展和社會對產(chǎn)品功能需求的不斷提高，各種產(chǎn)品日趨復(fù)雜化。尤其是航天器、飛機、車輛、艦船、復(fù)雜機電產(chǎn)品等典型的復(fù)雜產(chǎn)品，是多個子系統(tǒng)通過復(fù)雜的耦合關(guān)系集成的產(chǎn)物。如航空飛行器，在設(shè)計過程中需要用到機械、電子、液壓、控制等多學(xué)科、多領(lǐng)域知識，如果要進(jìn)一步細(xì)分，就會涉及到更多的子系統(tǒng)設(shè)計問題。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計，要求設(shè)計出來的產(chǎn)品除了滿足單領(lǐng)域所需求的各種功能要求外，更要求其必須滿足系統(tǒng)耦合后全系統(tǒng)的行為要求。能否滿足這些行為要求往往將直接決定所設(shè)計出來的產(chǎn)品能否成功。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計方法更加強調(diào)系統(tǒng)性與整體性，出現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計、協(xié)同仿真與協(xié)同優(yōu)化(Collaboration Optimization)，而且仿真優(yōu)化也越來越成為復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計必不可缺少的手段。

以單領(lǐng)域為核心的獨立應(yīng)用階段

    自20世紀(jì)50年代開始，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種計算機輔助工具開始出現(xiàn)并逐步應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計過程中，典型的如各種CAD、CAE、CAPP、CAM等工具。這些工具的應(yīng)用表明制造業(yè)已經(jīng)開始利用現(xiàn)代信息技術(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造過程，標(biāo)志著產(chǎn)品設(shè)計信息化的開始。然而，在經(jīng)過一段時間的發(fā)展之后，人們發(fā)現(xiàn)，由于各種計算機輔助工具只注重于解決本領(lǐng)域的問題，忽視了彼此之間的聯(lián)系，導(dǎo)致設(shè)計過程和制造過程中出現(xiàn)了大量的信息孤島，嚴(yán)重阻礙了信息化的進(jìn)一步發(fā)展。

    因此，企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中大量采用了計算機輔助工具，并注重各個系統(tǒng)間信息集成的實現(xiàn)，使得企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)能力得以極大的提高，市場競爭能力也隨之增強。然而，由于產(chǎn)品開發(fā)仍然采用傳統(tǒng)的串行開發(fā)模式，致使設(shè)計的早期階段不能很好地考慮產(chǎn)品生命周期中的各種因素，不可避免地造成較多設(shè)計返工，這促使企業(yè)在實現(xiàn)了內(nèi)部信息集成之后，開始逐漸關(guān)注過程集成的問題，并由此發(fā)展出并行設(shè)計理念。

以過程為核心的集成應(yīng)用階段

    并行設(shè)計是對傳統(tǒng)的串行產(chǎn)品開發(fā)方式的一種根本性改進(jìn)。并行設(shè)計的核心是過程集成。1986年，美國國防部先進(jìn)計劃局DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)制定了一項為期5年的并行工程啟動計劃DICE(DARPA Initiative in Concurrent Engineering)。統(tǒng)化方法是并行設(shè)計的核心。系統(tǒng)工程的方法強調(diào)時、空兩方面的整體性，而并行設(shè)計更側(cè)重于時間上的協(xié)同。從內(nèi)涵上看，并行設(shè)計將一系列在時間上分散的但彼此之間相互作用的過程基于時間軸看作一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，進(jìn)而采用系統(tǒng)工程的思想對這個系統(tǒng)進(jìn)行整體分析與優(yōu)化。圖1顯示了串行產(chǎn)品設(shè)計過程與并行產(chǎn)品設(shè)計過程在信息流動關(guān)系上和上市時間上的區(qū)別。這一階段，出現(xiàn)了大量DFx(Design For X)技術(shù)，如DFM-面向制造的設(shè)計、DFA-面向裝配的設(shè)計、DFC-面向成本的設(shè)計等，并以PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)為集成平臺，將這些應(yīng)用系統(tǒng)集成為一個整體，同時，對產(chǎn)品設(shè)計過程及組織形式加以改進(jìn)，以便在設(shè)計早期盡可能做出正確決策。

    圖1 典型的并行開發(fā)過程的比較

以互操作為核心的協(xié)同應(yīng)用階段

    傳統(tǒng)新產(chǎn)品的開發(fā)通常要經(jīng)過設(shè)計、樣機試制、工業(yè)性試驗、改進(jìn)定型和批量生產(chǎn)幾個階段。由于技術(shù)的限制，在設(shè)計階段獲取的產(chǎn)品的各類相關(guān)信息極為有限，設(shè)計人員對詳細(xì)設(shè)計方案的仿真和評估也很有限，很難保證設(shè)計中沒有差錯。由于產(chǎn)品的復(fù)雜程度加大，很少有人能夠在開始階段全面細(xì)致地了解整個系統(tǒng)。對于那些成本很高的產(chǎn)品，一旦出現(xiàn)難以彌補的設(shè)計錯誤，就會造成極大的損失。為了減少這種風(fēng)險，通常需要建立一個等同于真實產(chǎn)品的物理樣機，以獲得產(chǎn)品的機械、物理、外觀以及可制造性、可裝配性等的全面信息反饋，從而更好地消除設(shè)計階段難以發(fā)現(xiàn)的重大設(shè)計錯誤。但是復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的物理樣機通常造價昂貴，而且耗時長久。在迭代的設(shè)計過程中，一旦設(shè)計方案有重大修改，就需要重新建立物理樣機，導(dǎo)致設(shè)計成本的增加和設(shè)計周期延長。為了解決這些問題，出現(xiàn)了以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬樣機技術(shù)。

    虛擬樣機是由分布的、不同工具開發(fā)的、甚至異構(gòu)的子模型組成的模型聯(lián)合體，主要包括：產(chǎn)品的CAD模型、產(chǎn)品的外觀表示模型、產(chǎn)品的功能和性能仿真模型、產(chǎn)品的各種分析模型（可制造性、可裝配性等）、產(chǎn)品的使用和維護(hù)模型以及環(huán)境模型等。借助虛擬樣機，設(shè)計人員可以通過成熟的三維計算機圖形學(xué)，模擬在真實環(huán)境下產(chǎn)品的各種運動和動力特性，并能根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計方案。

    虛擬樣機技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設(shè)計方法，這些數(shù)字模型即虛擬樣機(Virtual Prototype，VP)能從視覺、聽覺、觸覺及功能、性能和行為上模擬真實產(chǎn)品。虛擬樣機技術(shù)是一種基于虛擬樣機的產(chǎn)品設(shè)計方法，是一門基于先進(jìn)建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)，它不僅包括構(gòu)造虛擬樣機的過程，還包括將虛擬樣機放到綜合虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真分析的活動。虛擬樣機技術(shù)本質(zhì)上屬于一種基于并行工程理念的設(shè)計開發(fā)方式，為并行工程理念的實現(xiàn)提供了一條可行的實現(xiàn)途徑。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)相比，虛擬樣機技術(shù)強調(diào)系統(tǒng)的觀點、涉及產(chǎn)品全生命周期、支持對產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估、強調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計。

以一體化為核心的多領(lǐng)域并行協(xié)同應(yīng)用階段

    由于復(fù)雜產(chǎn)品對象本身十分復(fù)雜，工程設(shè)計人員必須使用仿真工具對產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案，形成基于仿真的優(yōu)化過程。復(fù)雜產(chǎn)品高性能仿真往往涉及多個領(lǐng)域，需要不同的仿真軟件，而基于仿真的優(yōu)化也需要專業(yè)的優(yōu)化軟件。為了使優(yōu)化過程能夠自動進(jìn)行，不同的科學(xué)家、工程師、計算專家需要協(xié)同工作。

    由于航空航天領(lǐng)域的產(chǎn)品相對更加復(fù)雜一些，對成本和性能的要求都很高，因此，多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(MDO)最早是在航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來的。MDO技術(shù)誕生后，在世界上尤其是美國得到了飛速的發(fā)展。目前國際上普遍認(rèn)可MDO算法的主要有：多學(xué)科可行方法(MDF)、一致性優(yōu)化方法(AAO)、單學(xué)科可行方法(IDF)、并行子空間優(yōu)化算法(CSSO)、協(xié)同優(yōu)化算法(CO)和兩級集成系統(tǒng)綜合方法(BLISS)。根據(jù)這5種算法結(jié)構(gòu)的不同，分為單級優(yōu)化算法和多級優(yōu)化算法兩類。其中MDF、IDF、AAO屬于單級優(yōu)化算法，CSSO、CO、BLISS屬于多級優(yōu)化算法。

    隨著MDO技術(shù)在工程設(shè)計界的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多支持MDO技術(shù)的應(yīng)用軟件和工具。NASA Langley Research Center提出了針對MDO軟件工具的框架要求，符合這些框架要求的主要有以下的軟件工具：iSIGHT，ModelCenter，DAKOTA(Design Analysis Kit for OpTimizAtion)等。

    協(xié)同是現(xiàn)代復(fù)雜裝備研發(fā)發(fā)展的必然要求，系統(tǒng)能否發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)是由系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或組分的協(xié)同作用決定的，協(xié)同得好，系統(tǒng)的整體性功能就好。協(xié)同設(shè)計、仿真、優(yōu)化與試驗是復(fù)雜裝備研發(fā)創(chuàng)新不可缺少的重要方法，也是提升產(chǎn)品知識含量的有效手段。協(xié)同設(shè)計是基礎(chǔ)、協(xié)同仿真是提升、協(xié)同優(yōu)化是目標(biāo)、協(xié)同試驗是驗證。如圖2所示復(fù)雜裝備多領(lǐng)域融合協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)的體系結(jié)構(gòu)圖。其中，PLM為產(chǎn)品生命周期管理，SDM為仿真數(shù)據(jù)管理，ODM為優(yōu)化數(shù)據(jù)管理，TDM為試驗數(shù)據(jù)管理。

    圖2 復(fù)雜裝備多領(lǐng)域融合協(xié)同創(chuàng)新研發(fā)的體系結(jié)構(gòu)

結(jié)論

    從設(shè)計過程的發(fā)展歷程來看，CAx獨立應(yīng)用階段注重設(shè)計工具的實施，并行工程階段注重CAx/DFx工具之間的協(xié)同，局部協(xié)同階段強調(diào)多領(lǐng)域工具并行協(xié)同，全局協(xié)同階段強調(diào)多領(lǐng)域工具實時并行協(xié)同，重視設(shè)計、仿真、優(yōu)化與試驗一體化技術(shù)的應(yīng)用。

    雖然復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同仿真優(yōu)化領(lǐng)域尚不十分成熟，沒有建立起完整的科學(xué)理論和應(yīng)用體系。但是，目前在國外有許多學(xué)者紛紛將注意力投入這一領(lǐng)域，并取得一定的進(jìn)展，我相信未來協(xié)同設(shè)計、協(xié)同仿真、協(xié)同優(yōu)化、協(xié)同試驗必將是復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)的不可缺少的手段。

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://m.vmgcyvh.cn/

本文標(biāo)題：復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計技術(shù)發(fā)展

本文網(wǎng)址：http://m.vmgcyvh.cn/html/solutions/1401938386.html