多學科協同設計仿真工具研究

汪志華

摘要：研究了數字化協同設計平臺和多學科仿真數據管理平臺，數字化協同設計平臺實現復雜項目管理、任務管理、流程管理和數據管理，多學科仿真數據管理平臺實現仿真數據管理、仿真流程管理和知識庫管理，確保多層次多專業協同仿真數據的一致性、完整性、及時性和可控性，探索了綜合集成協同設計仿真的方案，為設計仿真人員學習多學科協同設計仿真提供參考。

關鍵詞：數字化設計；多學科仿真；設計仿真工具

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）13-60-2

Research on Multidisciplinary Collaborative Design Simulation Tools

WANG Zhihua（Information Science Academy of CETC， Beijing 100086， China）

0引言

20世紀90年代末，Balling和Sobieski設計了MDO模型[1]，掀起了MDO研究熱潮，并且理論研究不斷向工程應用轉化。在理論研究方面，司徒渝研究了多學科設計建模等關鍵技術并設計了流程圖[2]，王平等在車身結構設計中應用了多學科協同設計[3]，聶勇軍等利用多學科優化理論建立機械、液壓及電控等多學科優化模型[4]。多學科協同設計技術已取得重要突破，并在實踐中得到大量應用，相應的軟件支撐和工具已被人們開發出來，在許多行業可以得到大量應用。

1數字化協同設計平臺

數字化協同設計平臺是基于高效協同設計架構，利用數字化技術將原來分散的多專業學科、多部門、多設計階段的研發過程整合為統一設計體系，為復雜產品的協同設計提供管控支撐平臺。數字化協同設計平臺以“協同設計”為核心，綜合集成相關軟件工具、方法、規范、知識和數據等多方面內容，為設計人員提供綜合集成設計工作環境，使設計人員能夠快速完成設計任務。平臺建立貫穿多個研發階段、多專業部門、多學科領域的協同設計研發流程，控制產品研發的業務過程、數據關聯和設計數據版本。同時，以各工具軟件為設計分析手段，以工程數據庫為設計支撐，以流程管理為過程控制機制，平臺實現多專業設計分析的協調，從而達到復雜產品的快速協同設計。

數字化協同設計平臺的主要功能有：①復雜項目管理：組織、管理、規劃和控制型號、產品性能、工作過程、時間進度及資源分配等任務；②任務管理：提供規劃、管理產品設計性能參數匹配關系、任務子流程，執行設計過程，控制、檢查及審核版本數據；③設計流程管理：提供組織、定義、管理、控制設計工序任務先后順序、邏輯關系、啟動激活條件、過程狀態及數據組織等手段；④設計數據管理：統一存儲、組織、查找、訪問各類設計數據，實現設計數據的版本追溯和對比，并生成直觀的版本數據譜系圖，進而形成設計過程知識庫；⑤協同工程環境：提供統一的組織、處理、執行、定義、管理設計工程項目環境和產品性能數據，涵蓋所有設計數據和信息；⑥設計系統管理，提供系統初始化、機構人員角色設置、創建動態門戶、日志管理、人員權限分配及密級等級設置等功能。

2多學科協同仿真數據管理平臺

多學科協同仿真數據管理平臺作為協同仿真的核心部分，以復雜組合項目的仿真數據為基礎，為多層級、多專業、多學科協同仿真提供數據管理，可支撐仿真數據完整性、一致性和可控性驗證，通過與協同創新平臺集成，能夠將仿真操作融入到設計行為中。多學科協同仿真數據管理平臺能夠在多層次多專業協同仿真時確保數據的一致性、完整性、及時性和可控性，對不同仿真手段產生的數據進行類比分析，在精細化仿真模型方案迭代時驗證數據的一致性、完整性、及時性和可控性，能夠對仿真操作中多場耦合仿真技術的成熟度進行管控。多學科協同仿真數據管理平臺主要由應用層、基礎層和數據層3層架構組成，如圖1所示。

應用層向用戶展示各種可用功能，包括仿真數據管理、仿真流程管理及知識庫管理等功能模塊，可根據用戶需要進行調整；基礎層為應用層提供底層支撐，一般由內容管理、注冊和執行、權限控制等構成；數據層是實現各種數據管理的場所，存儲的數據對象包括結構化和非結構化的數據，下面主要對應用層進行描述。

（1）仿真數據管理對設計模型、網格模型、仿真模型、計算結果、文本數據、圖片、仿真報告、仿真任務數據、仿真需求及技術規格等數據按照不同類型進行分類管理，提供數據導入導出、關鍵字檢索、數據對比、數據版本管理、角色管理及可視化顯示等數據維護功能。

（2）仿真流程管理包括分析任務同步、分析任務審核和分析任務查看等功能。①分析任務同步就是與協同設計創新平臺的仿真任務同步，接收仿真需求，生成仿真任務并按照規定流程步驟執行，在處理仿真數據時可根據需要修改分析任務的狀態和各子步驟的狀態。②分析任務審核對仿真結果自動生成仿真報告，提供審閱接口，將仿真報告與仿真關鍵結果值進行關聯，甚至可以同步到協同設計創新平臺，審閱通過后形成批準文檔進行數據歸檔。③分析任務查看可以查看所有任務的狀態總表，以掌握任務的執行情況，查看方式包括樹狀圖等多種形式，仿真人員可以根據自己的喜好進行選擇。

（3）知識庫管理包括知識庫數據導航、知識數據操作和流程模板3部分。①知識庫數據導航就是在平臺內建立業務插件庫、報告庫、模型庫和技術規范庫等知識分類庫，以獨立的業務對象存儲在數據庫中。②知識數據操作包括文檔和模型的發布、編輯、升級及刪除等功能，同時可以對文檔和模型的屬性進行自定義，必要時還可對數據進行提升，為不同用戶提供共享。③流程模板定義流程框架，可以擴展通用仿真分析模板和專業仿真分析模板兩類，包括設計模型、仿真模型、仿真結果、仿真報告等的發布以及啟動工具軟件等操作組合，可通過配置界面實現每個模板仿真步驟的執行順序可調。

3綜合集成

多學科協同仿真數據管理平臺和數字化協同設計平臺需要綜合集成，共同完成多學科協同設計和仿真，從而輔助設計人員設計出滿足用戶需求的復雜產品。設計人員在數字化協同設計平臺上以仿真任務工作包的方式發布仿真需求，并通過數據同步接口將仿真任務工作包發布到多學科協同仿真數據管理平臺內，并由仿真平臺自動創建仿真任務活動。仿真報告和仿真關鍵結果等信息作為當前仿真任務工作包的交付物發布到數字化協同設計平臺，以便設計人員進行設計目標和仿真結果的對比。

4結束語

通過深入分析比較，在此歸納總結了數字化協同設計平臺和多學科協同仿真數據管理平臺的主要功能和構成，以及相互配合協同發揮設計仿真的作用，能夠為設計人員了解掌握多學科設計仿真工具提供較好的參考。

參考文獻

[1] Tappeta R V，Renaud J E.Multi-objective Collaborative Optimization[J].Journal of Mechanical Design，1997，119（3）： 403-411.

[2]司徒渝.多學科協同與設計優化關鍵技術研究[J].機電工程技術，2008，37（2）：16-17.

[3]王平，鄭松林，吳光強.基于協同優化和多目標遺傳算法的車身結構多學科優化設計[J].機械工程學報，2011，47（2）：102-108.

[4]聶勇軍，魏世民.多學科優化設計技術及其創新[J].機電產品開發與創新，2011，24（1）：4-8.