搭建風洞數字化協同設計與仿真平臺

王生利　王帆　王海　王超琪　鄭娟

摘 要：文章從風洞研制特點及制約設計能力因素出發，引出建設平臺的重要性，在分析當前平臺現狀和存在問題的基礎上，給出搭建多學科數字化協同設計與仿真平臺的目的和意義，并描述協同設計與仿真平臺的體系結構和功能框架，最后指出協同設計與仿真平臺建成后能夠起到的作用。

關鍵詞：設計手段；多學科數字化設計；協同設計與仿真平臺；風洞設計

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0005-03

Abstract： Based on the characteristics of wind tunnel development and the factors restricting the design capability， this paper introduces the importance of the construction platform. On the basis of analyzing the current situation and existing problems of the platform， the purpose and significance of building a multidisciplinary digital collaborative design and simulation platform are given. It also describes the architecture and functional framework of the collaborative design and simulation platform， and finally points out the role that the collaborative design and simulation platform can play after the completion of the platform.

Keywords： design means； multidisciplinary digital design； collaborative design and simulation platform； wind tunnel design

中國空氣動力研究與發展中心（以下簡稱氣動中心）下屬的第四研究所（以下簡稱四所），是國內唯一專業從事風洞設備設計及測試技術研究的綜合性研究機構[1]。近年來，隨著風洞設計要求的提高與任務的快速增長[2]，現有風洞設計理念陳舊、設計手段落后，設計能力不足、技術儲備難以適應下一步任務要求等問題已日趨凸顯。

風洞作為大型復雜設備，其建設是一個集設計、分析、仿真、試驗、優化和管理于一體的大型工程。其研制過程如圖1所示，包括立項論證、可行性研究、初步設計、技術設計、施工設計、風洞調試幾個階段，涉及氣動、結構、測量、控制、液壓、天平設計及項目管理等多學科領域[3]。在建設過程中，需要眾多工程技術人員的協調，處理海量的數據資源，運用不同領域的專業工具軟件，經歷復雜的、科學的反復迭代設計過程。

目前，四所設計手段主要基于1996年前設計建成的CAD平臺，該設計平臺已明顯表現出難以滿足眾多且要求日益復雜的新風洞設計要求，逐漸成為高質高效完成科研任務的瓶頸，甚至在一定程度上限制或阻礙了風洞設計效率和設計質量的提高；而且，現有的風洞CAD設計平臺應用技術嚴重滯后于當今業已成熟的CAx技術的發展與應用——數字化、多學科協同設計與仿真，與四所在國內堪稱風洞設計領域的“國家中心”地位極不相稱，與實現風洞設備設計與建設水平“世界一流”的目標要求相差甚遠。

構建一套基于先進CAx技術、全數字化的風洞多學科協同設計與仿真平臺，以提升風洞設計手段、提高風洞設計效率與設計質量、縮短研制周期、降低研制成本，是解決上述問題有效途徑[4]。

1 平臺建設的目的和意義

1.1 風洞研制的特點

風洞研制過程呈現的一系列特點，可以概括為兩大方面：一方面，每個研制階段所涉及的專業較多，跨專業多級業務流程復雜，業務流程中所使用的不同學科工具軟件較多，工具軟件之間的數據流關系復雜，而且復雜的研制流程還需要進行反復迭代才能獲得有效的設計結果；另一方面，可行的參考方案往往有助于建立更好的迭代設計起點，迭代過程中基于經驗的合理參數調整往往有助于減少迭代的次數，兩者皆有助于縮短設計周期、提高設計質量。

1.2 影響風洞設計能力的關鍵要素

根據風洞研制的特點可知：影響風洞設計能力的關鍵要素為：設計流程的積累、應用和管理水平；設計、計算、仿真工具軟件應用經驗的積累和應用水平；設計規范、經驗數據和已有設計成果的積累和應用水平；風洞設計相關的多學科協同設計與仿真的綜合能力；設計、仿真、試驗數據的綜合管理水平。

1.3 現有CAD設計平臺及其存在的主要問題

現有的風洞CAD設計平臺基本實現了風洞三維方案設計、二維出圖以及部件級性能分析及優化設計，但在系統配置和應用方面存在很多問題。如三維大型復雜裝配設計軟件許可用戶數嚴重不足、風洞CAD設計平臺缺乏各專業協同設計環境、缺乏風洞性能多學科協同仿真環境、缺乏風洞設計數據的有效管理等。

由于上述問題的存在，就現有的設計隊伍，憑借現有的風洞CAD設計平臺，要高質高效完成目前前所未有的風洞設計與建設任務是難以想象的。而采用基于產品數據管理的全三維數字化協同設計、多學科協同仿真及項目流程管理技術等是解決上述問題的有效技術途徑。

1.4 平臺建設的目的和意義

平臺建設的主要目的就是：在風洞研制過程中，實現不同專業人員之間、項目管理人員之間的有效協同；實現不同專業設計工具和手段的充分集成；綜合考慮各個學科之間耦合效應的仿真；實現風洞設計與建設過程數據有效管理和知識數據的管理和再用。

平臺建設的意義在于：改善風洞設計手段、提高風洞設計效率和設計質量、縮短風洞研制周期、降低研制成本，有效提升風洞設計水平，高質高效完成各項研制任務。

2 平臺總體方案

2.1 平臺體系結構

基于通用的集成設計與仿真體系結構，風洞數字化設計與仿真平臺體系結構如圖2所示，主要包括信息集成層、技術支撐層、集成平臺層和用戶層。

從平臺體系結構中可知：在四層結構中，信息集成層、技術支撐層為任何專業、任何產品集成設計與仿真平臺的通用體系，用戶層僅為企業或產品設計平臺界面，唯有集成平臺層是體現集成設計與仿真平臺的應用功能、設計對象特色的關鍵層。

在集成平臺層，協同設計環境、仿真分析環境所包含產品設計與仿真流程、工具軟件及自編軟件、設計知識管理環境是體現集成平臺是否具備專業或行業特色的關鍵要素。系統管理環境、可視化環境所包含的項目管理、數據管理等均為其提供技術支撐。

因此，將風洞設計與仿真特有的各專業工具軟件、設計流程、設計知識、規范及管理流程融入到集成設計與仿真體系結構的集成平臺層中，是風洞數字化設計與仿真平臺具有風洞設計特色的唯一標志。

2.2 平臺功能框架

根據風洞研制中的跨專業、多學科的設計迭代過程和分析仿真過程緊密結合而形成產品設計循環、設計數據和仿真數據高度關聯而構成風洞數字化虛擬樣機的特征，可將體系結構中的協同設計環境、仿真分析環境及知識管理環境歸為風洞設計與仿真過程管理體系；將系統管理環境分解為風洞科研項目管理體系和風洞設計與仿真數據管理體系，由此形成由風洞科研項目管理體系、風洞設計與仿真過程管理體系、風洞設計與仿真數據管理體系三大體系以及風洞知識管理系統、風洞虛擬樣機展示子系統和硬件/網絡環境構成的平臺功能架構，如圖3所示。

3 結束語

（1）風洞數字化設計與仿真平臺建成后，在氣動方面：將能規范氣動設計流程、提高氣動設計效率、實現氣動性能的精細化模擬，進而提升氣動設計能力；在結構方面：能實現風洞設計從二維設計到三維全數字化設計的轉變，提高設計手段。實現風洞多學科協同設計與仿真，提高設計效率、設計質量和設計水平。實現風洞復雜部段、甚至風洞整體的數字化裝配，避免零部件出現干涉現象，減少設計的返工量；在測控方面：實現控制軟件無縫接入設計與仿真平臺進行在線調試和測試，實現對整個數字風洞進行氣動、結構及測控多專業、多學科的聯合仿真，實時顯示風洞流場特性參數及曲線、機構運動狀態和運動曲線。

（2）風洞數字化設計與仿真平臺的建立，實現風洞設備設計與仿真手段與世界先進水平接軌，從現有的傳統模式快速跨越到國際先進水平；風洞數字化設計與仿真平臺的應用，將改變風洞設計方式，提升設計理念，在提高設計效率、設計質量和風洞性能的同時，實現風洞設計模式的創新。

參考文獻：

[1]王玉明.項目管理在大型風洞設計對外合作中的應用研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[2]郭東明，雒建斌，方岱寧，等.大型風洞設計建設中的關鍵科學問題[J].中國科學基金，2017（5）：420-421.

[3]劉政崇.風洞結構設計[M].北京：中國宇航出版社，2005：6-7.

[4]王超琪.風洞數字化設計與仿真平臺建設方案[Z].