軍用車輛動力傳動輔助系統多學科協同設計系統研究*

孫曉霞 邵春鳴 楊立寧 舒成龍 王國柱

中國北方車輛研究所 北京 100072

創新點：針對總體設計中協同和優化設計的需求，通過建立一個適用于軍用車輛動力傳動輔助系統設計的通用框架系統，實現了動力傳動輔助系統多學科協同設計及優化功能。

多學科協同設計開始于20世紀80年代末90年代初，首先在美國航空航天工業界興起，目前已經成為以美國為首等發達資本主義國家工業界一個嶄新的研究領域，受到了企業界和學術界的廣泛關注。多學科協同設計的基本目的就是充分利用各個學科（子系統）的相互配合，從而產生協同效應，獲得整個系統的整體最優解，同時還要實現各學科的并行優化設計[1-7]。

動力傳動輔助系統是軍用車輛的重要系統，其是保證軍用車輛動力系統、傳動系統及其他相關分系統可靠運行的關鍵，直接影響到車輛在各種復雜環境下的機動性和生存能力。動力傳動輔助系統的設計研制覆蓋冷卻、潤滑以及空氣供給等多個不同子專業，涉及流動、傳熱以及強度校核等多個不同的學科，具有復雜程度高、多學科多領域交互影響等特點。

傳統的軍用車輛動力傳動輔助系統設計中，涉及的各學科專業的計算程序和分析工具基本彼此獨立，依靠設計報告和數據文件方式進行協調，在參數約定、數據文件轉換和傳遞過程中耗費了大量的時間，這種手工活動也容易出錯，嚴重制約了設計效率。因此，亟須建立一個支持多學科自動化參數耦合、轉換與傳遞的集成協同系統來提高總體設計效率。同時，軍用車輛動力傳動輔助系統設計集中體現了總體設計工作全局性、復雜性的系統工程要求，如何協調與優化諸多學科專業間的任務和參數，尋求系統級的最優目標，進而提高軍用車輛動力傳動輔助系統的總體性能指標，具有十分重要的意義。

本文論述的動力傳動輔助系統多學科協同設計系統，針對總體設計中協同和優化設計的需求，通過建立一個適用于軍用車輛動力傳動輔助系統設計的通用框架系統，實現了以下兩方面功能：

（1）多學科協同設計功能。有效的組織設計中的各學科計算和分析模型，將各學科設計工具封裝后集成到系統中，并精確實現各學科模型間的耦合關系，在系統上進行自動化的協同計算。

（2）多學科設計優化功能。在集成協同的基礎上，提供優化設計過程所需的各種工具，為系統設計優化提供全面和有力的支持。

1 系統功能需求分析

為實現快速、便捷的協同和優化，系統需要滿足以下主要功能要求：

（1）梳理現行設計流程中典型的理論、經驗計算方法，通過補充開發相應的專用設計程序，進行算法初步固化，為自主算法程序開發奠定基礎。

（2）實現對動力傳動輔助系統設計階段中所涉及的各類知識型研發能力要素的積累、整合和重用。快速實現對動力傳動輔助系統設計仿真流程的表達和重用；實現對不同類別且不斷增加的動力傳動輔助系統各專業設計仿真工具軟件的集成；支持對動力傳動輔助系統設計仿真領域的規范、標準、經驗數據、設計仿真參考模型等知識型要素的積累、整合和重用。

（3）大幅度減少動力傳動輔助系統研發過程中各種協作型要素對研發能力的制約。保障對系統總體和各子系統專業在不同階段生成的設計數據和分析仿真數據進行有序、關聯管理；保障在設計迭代過程中，在各種工具軟件之間自動、有序傳遞文件和參數；平衡對設計仿真流程的規范化要求和實際設計中必然反復進行的“自由”迭代過程之間的矛盾；銜接設計迭代過程和技術狀態確定過程；提高協作過程和數據的一致性，避免設計過程中的低級錯誤。

（4）建立覆蓋動力傳動輔助系統各子專業的設計對象組成層次，并容納其各級指標參數體系，以此為中樞，提供下述支撐能力：既支持動力傳動輔助系統總體與各子系統以及子系統與部件（如：冷卻系與風扇部件）之間的參數級指標分配與反饋；也支持骨架模型文件和協調文檔的下發與三維模型和文檔的反饋。

綜合上述功能，建立一種學習型的高效協作環境。促進研發人員的知識、經驗積累、共享和傳承，大幅度減少低水平的重復，大量減少設計人員在設計迭代過程為進行工具軟件之間的銜接和數據傳遞，以及人員、學科、專業之間的協作而進行的“低級”勞動，使設計人員有更多的精力進行真正的專業活動。加快設計迭代過程，為在更短的時間設計更多的動力傳動輔助系統方案并進行優選提供可能。以此為基礎，通過動力傳動輔助系統多學科協同設計系統與TDM試驗數據管理系統的集成，銜接設計流程與試驗驗證流程，并綜合關聯設計過程數據和試驗結果數據，支持設計人員利用試驗結果數據評估優化設計方案、校核數字化仿真模型和方法。利用系統建設實施過程，培養出能夠有效掌握“動力傳動輔助系統多學科協同設計系統”的使用與擴展技能以及專業算法編程基礎技能的人員團隊，保障動力傳動輔助系統設計仿真流程、工具軟件使用方法、規范準則、經驗數據和可復用參考模型等一系列知識要素，可以在系統的應用過程中得到持續補充和完善，從而保持系統的生命力。

2 系統組成框架

動力傳動輔助系統多學科協同設計系統主要包括產品設計仿真活動、設計仿真工具軟件、設計流程、設計仿真能力要素以及設計仿真集成管理系統等組成部分，具體如圖1所示。其中，系統集成的工具軟件、定制的設計流程以及系統容納的研發能力要素是多學科協同設計系統的基礎和核心。

圖1 動力傳動輔助系統多學科協同設計系統組成框架

2.1 系統集成的工具軟件

不同學科和專業類別的工具軟件和算法程序需要被動力傳動輔助系統多學科協同設計系統封裝和集成，以便支持動力傳動輔助系統跨專業、多學科設計仿真過程。

系統能有效地集成各專業學科使用的設計、計算和分析工具軟件，包括自主研發軟件、商業軟件（CAD/CAE）、電子數據表格等，各專業工具軟件在系統中以學科模型的形式共享出來，供總體設計協同計算時引用。系統能夠提供常用CAD/CAE軟件（如Pro/E、Fluent等）接口庫，實現通用商業軟件模型的快速集成。系統還能夠封裝集成的工具軟件，以可視化形式提供便捷的自主研發軟件二次集成。

2.2 系統定制的設計流程

該系統支持多學科優化設計（MDO）范疇的型號總體協同和優化設計，按流程順序可劃分為基礎類活動和設計類活動。基礎類活動包括總體設計規劃、各學科模型生成、總體建模等活動，為后續設計活動提供所需的規劃和模型基礎，是協同優化設計的起點；設計類活動是指針對特定型號的總體模型進行一系列的分析和優化等設計活動，包括設計試驗（DOE）、參數敏感度分析（GSA）、方案優化運算等。

（1）總體設計規劃

總體設計師根據型號總體設計需要，確定參與總體設計的學科專業，明確各學科設計順序和模型輸入輸出耦合關系，編制數據定義字典，以指導各學科和總體規范化建模；并選定總體優化目標、輸入參數約束范圍，為后續研究打下基礎。

（2）學科模型生成與封裝

學科設計師在本專業數字化設計單元的支持下生成學科模型，功能和輸入輸出滿足總體規劃，生成的學科模型提交至集成系統。

（3）總體模型生成

總體設計師根據總體規劃要求，通過引用各學科模型并實現參數耦合關系，建立總體模型，作為后續研究對象。

（4）參數設計試驗

參數設計試驗（DOE）是指按照一定規則，給定一系列的參數輸入范圍，驅動總體模型進行運算分析得到相應輸出的設計活動，得到的設計試驗數據是后續研究工作的依據。

（5）參數靈敏度分析

參數靈敏度分析（GSA）利用設計試驗數據，運行統計分析方法，找到對總體優化目標影響較大的參數。對于軍用車輛動力傳動輔助系統這種功能多樣、組成復雜的系統來說，很難利用全局靈敏度方程等經典靈敏度分析算法。結合以往型號設計經驗，繪制總體模型輸入-輸出響應曲線進行分析，是目前行之有效的方法。

（6）待優化方案設計

選定需優化的參數后，如優化參數較多，會因優化維數過大導致優化運算時間過長或無法收斂，這時應對某些參數進行分段離散化處理，形成若干個待優化方案，以保證優化運算的正常進行。

幼兒園應該充分滿足幼兒在活動中所需的各種設備器材，這對激發幼兒活動參與積極性以及提高幼兒活動思維能力有著很好的輔助效果。幼兒園階段的孩子較為活潑好動，教師應該在開展區域活動的過程中讓幼兒充分體會到區域活動的樂趣。這就需要幼兒園重視區域活動的場地建設和器材配備，不斷完善加強活動所需的硬件設施，以此來保證幼兒在活動中有充足的器材，進而提升區域活動開展有效性。

（7）多方案比較

運用圖表、曲線等方式，對多個優化后的方案數據進行比較和選擇，作為得到最終方案優化結果的依據。

2.3 系統容納的研發能力要素

被動力傳動輔助系統多學科協同設計系統容納的研發能力要素主要包括下述幾類：

（1）設計對象和指標參數體系。動力傳動輔助系統多學科協同設計系統中需要容納動力傳動輔助系統總體、子系統、部件等不同級次的設計對象和指標參數組成體系，為引導設計師完成動力傳動輔助系統跨專業、多學科設計仿真過程，并同步進行指標參數體系分解和反饋驗證提供支撐。

（2）設計仿真流程。動力傳動輔助系統多學科協同設計系統中需要容納總體和各子系統專業的設計、分析、仿真流程，以便規范化的引導動力傳動輔助系統跨專業、多學科設計過程進行有序的設計迭代。

（3）設計規范與標準。動力傳動輔助系統多學科協同設計系統中需要容納總體和各子系統專業的設計規范、設計準則和判據，以便設計人員在動力傳動輔助系統跨專業、多學科設計仿真過程中能夠隨時查閱規范，并根據相關準則和判據在設計迭代過程中進行科學的設計參數選擇和設計過程選擇，從而加快設計迭代過程。

3 系統實施關鍵技術

3.1 可支持動力傳動輔助系統完整設計循環的多學科關聯建模和數據管理技術

多學科關聯對象建模和數據管理技術就是采用多學科關聯的參數級對象建模方法，在設計仿真迭代過程中逐步建立動力傳動輔助系統總體和各子系統多學科關聯參數級抽象模型，容納動力傳動輔助系統的跨專業、多學科關聯的指標參數體系（包括：技術指標、工作環境參數和設計參數等）。

基于多學科關聯的參數對象模型，綜合關聯管理在迭代過程中各工具軟件所建立的系統總體和各子系統專業的性能、結構的數字化模型和數據，從而以參數級對象模型為中樞，形成動力傳動輔助系統總體和各子系統多學科關聯數字化模型。并最終使動力傳動輔助系統指標對象參數體系得以獨立和相對穩定的存在于協同設計系統中，作為數字化設計仿真過程的中樞，與數字化流程驅動的各種設計仿真工具軟件交換數據。而設計仿真流程和工具便可以成為與設計/仿真對象相關聯的設計仿真資源，可以隨著專業技術的成熟度發展而不斷擴充、更換和發展，從而有效的應對目前動力傳動輔助系統各專業設計流程的算法、工具不夠成熟的現實問題。

3.2 可支持動力傳動輔助系統實際設計迭代過程的設計/仿真流程管理技術

可支持動力傳動輔助系統實際設計迭代過程的設計/仿真流程管理技術主要包括下述幾個方面：

（1）先進的智能化流程引擎技術。提供流程定義、流程遞推、任務提醒等流程驅動所需要的核心服務，支持多項目和多級流程、串并行和回饋關系、智能化的分支和回饋判據，提供流程運行時的智能化調整能力，具體如圖2所示。

圖2 支持智能化判據的流程驅動引擎

（2）圖形化流程規劃技術。能夠以圖形化的形式、所見即所得的定義產品設計/仿真流程，表達流程中任務對應用程序的調用關系。

（3）流程自動記錄能力。能夠幫助專業人員將模糊的設計過程逐步清晰化、規范化。

（4）流程自由迭代執行技術。可以在流程定義時預定可能進行迭代的任務和迭代條件，也可以由設計人員根據需要在流程執行過程中靈活的選擇需要重復迭代的任務，從而滿足實際研發工作中的靈活迭代需求。

（5）在跨專業協作方面，還需要采用先進的數據發布、接收和變更追蹤技術。通過專業設計對象與設計流程的關聯，保障原本就相對獨立的各專業設計流程保持其應用的獨立性。通過專業設計對象之間的數據發布和變更追蹤機制，引導相關專業進行協作數據的發布、接收、變更追蹤和更改波及分析等，實現以協作數據為中心、基于弱耦合的柔性流程來支撐跨專業協作。通過非編程定制方式，在多學科協同設計系統中，既可以預先指定規范化的數據接收對象和發布數據內容，也可以臨時根據項目需要，自定義或調整已有的數據發布封裝所定義的數據接收對象和發布數據內容，具體如圖3所示。

圖3 以多學科關聯對象模型為基礎的多學科協同設計迭代過程

3.3 對動力傳動輔助系統結構設計過程和數據的實時管理技術

提供用于動力傳動輔助系統結構設計的Pro／E三維CAD軟件的內嵌集成，按照動力傳動輔助系統的產品結構實時管理結構設計過程和數據，銜接各專業的性能設計、結構設計與基于結構模型的分析仿真過程。同時，支持與PDM系統的對接集成。

3.4 可支持用戶自主定制的系統快速非編程定制技術

系統快速非編程定制技術可以支持動力傳動輔助系統各專業設計師，無須編寫任何程序、即可采用非編程定制的方式，在多學科協同設計系統中實現動力傳動輔助系統設計仿真流程、工具及其使用方法、設計仿真規范、設計仿真經驗參數和參考模型等內容的定制拓展和優化。其主要能力體現在下述幾個方面：

（1）應用程序封裝庫。提供對設計/仿真工具軟件進行非編程封裝和集成的能力。

（2）設計/仿真流程模板庫。提供將經過規劃或試算形成的設計/仿真流程保存為流程模板的能力。

（3）多學科關聯的產品對象類型庫。提供對參數級的產品數字化抽象模型（包括特性參數）進行非編程定制的能力。

（4）與各類設計數據文件的雙向數據交換定制工具。提供文件解析/重構格式描述能力，無須編程即可進行文件格式描述定制，使集成系統能夠與各類設計軟件的數據文件進行雙向數據交換。

（5）基于規范/標準/經驗數據和參考模型庫。提供對產品設計仿真規范/標準/經驗數據和參考模型進行整合、關聯和嵌入的能力。

（6）基于試算過程快速完成針對上述各種研發能力要素的定制并建立各類要素之間關聯關系的能力。

4 結束語

動力傳動輔助系統多學科協同設計系統，可以有效促進動力傳動輔助系統各專業、各學科的知識積累和傳承，集成各種現有設計仿真工具軟件和將要開發的專用設計工具程序，支持動力傳動輔助系統跨專業、多學科協同設計和仿真，有效管理設計迭代過程中生成的各種設計仿真數據，提高設計協作效率，大幅度減少在協作方面的低級勞動，最終達到提升方案快速設計能力、降低技術風險、減少研制成本的目的，并促進動力傳動輔助系統性能的提升，以滿足新一代作戰車輛的發展需求。