基于傳統裝備制造業的分布式數字化設計平臺研究與實現

畢啟亮，王紹興

（1.天津機電職業技術學院，天津 300350；2.中海油田服務股份有限公司，天津 300450）

“加快數字化發展，建設數字中國”已成為“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要重要的內容。很多發達城市先后出臺了數字化轉型實施方案及政策措施。尤其是疫情讓人們意識到數字化的價值，包括提升業務韌性、促進效率提升和可持續發展等[1]，雙碳目標則進一步加速了數字化轉型的步伐。可以預見的是，“十四五”將成為數字經濟發展的爆發期，數字產業化、產業數字化正成為大勢所趨。

與傳統的串行設計模式不同，數字化技術環境中，設計人員以數字化模型為載體，多人協作，能夠同步、交叉進行設計[2]，實現產品快速設計，降低企業開發成本。對用戶需求能否給予即時響應，決定了企業是否能夠在市場中占得先機。然而，由用戶需求所衍生出的一系列業務活動并非能由任何一家企業獨立完成。現代商業環境是實體之間相互依賴形成的網絡，他們相互連接以創建和獲取價值[3]。

經驗與技術賦能的傳統裝備制造業，正在以前所未有的開放心態迎接數字經濟時代。但是由于缺乏數字化設計手段，在產品設計開發中，大量依靠經驗和人力，以致無法有效、及時地響應快速發展的市場的需求[4]。要順利進行數字化轉型，必須先練好內功，強化產品創新設計、成本控制及質量管控能力。

文章面向傳統裝備制造業，基于模塊化系列化創新理論，以提升產品開發效率為目標，開展了面向產品的設計、計算、仿真分析等關鍵技術研究，以減速器產品設計為應用實施對象，形成產品的模塊化資源庫和數字化設計分析集成平臺。

1 數字化集成平臺總體設計

采用自頂向下的模塊化設計方法[5]，基于企業已有的基型產品，研究產品的設計、計算、仿真分析的數字化集成平臺技術。

平臺開發建設有5 個功能模塊：基礎支撐子系統、平臺管理子系統、設計計算子系統、仿真分析子系統、圖紙優化子系統。

基礎支撐子系統負責與商業設計軟件、分析軟件、工程制圖軟件進行數據交換與系統操作控制，是平臺與商業軟件交互的接口；平臺管理子系統作為交互窗口，負責監控、協調平臺各模塊的工作狀態；設計計算子系統與仿真分析子系統作為核心子系統，執行產品優化設計與仿真分析全過程；圖紙優化子系統執行圖紙優化配置計算并返回圖紙優化計算數據。

平臺管理子系統獲取各返回數據，將其傳遞給基礎支撐子系統，由分布集成軟件執行模型優化設計、仿真分析、圖紙優化配置等功能，并向用戶反饋優化結果[6]。數字化設計平臺功能主題域劃分如圖1 所示。

圖1 數字化設計平臺功能主題域劃分

2 平臺關鍵業務功能模型分析

2.1 平臺管理功能

平臺管理子系統負責向各子系統提供各類數據以及發布操作命令，是數字化設計分析集成平臺總體業務功能的基礎平臺支撐[7]。除了提供交互窗口界面，還對數據管理、設計計算、仿真分析、權限管理等各子系統之間的交互給予支撐。

平臺數據管理有產品結構管理、設計規則管理、參數數據管理等。產品結構是設計平臺的核心[8]，是產品設計流程展開的基礎。

文檔管理功能是平臺管理的關鍵功能，主要有文檔模板管理、文檔版本管理和文檔目錄管理。負責對產品設計過程中的模型文檔、數據文檔、報表文檔等實施模板化管理、版本的管理及分類檢索管理。

2.2 設計計算功能

設計計算子系統是數字化設計平臺的關鍵核心子系統之一，負責對產品結構的參數化設計[9-10]提供支撐，實現產品的快速優化設計計算功能。

產品設計過程主要分為3 類：整機優化設計、結構件優化設計、打開已有產品整機設計。

整機優化設計功能是對產品整機的外形、結構進行初設計及優化設計分析的過程。設計師選定好基型模板后，進入相關的設計流程，平臺會根據基型模板自動調用相對應的產品模型和數據。整機優化設計的總體業務流程如圖2 所示。

圖2 整機優化設計總體業務流程

結構件優化設計是針對產品的組成關鍵結構件進行參數設計計算，設計人員基于產品整機模板選擇基型零件，進入相應的結構件設計流程，平臺根據設計流程查詢零件的初始數據和對應的零件文檔，設計人員對該零件進行參數設計、校核計算、有限元分析及圖紙優化配置等功能。

在設計計算子系統各業務流程中，設計用戶通過平臺管理子系統選擇設計模式類型，進入不同的設計流程，平臺管理子系統負責與用戶交互，同時與設計計算子系統進行數據交換，設計計算子系統承載設計過程的實際應用。基礎平臺模塊維護了設計類型和設計模板的選擇，知識庫管理模塊負責整個設計過程的數據維護和存儲，文檔管理模塊負責設計過程的模型維護與存儲。設計計算子系統基礎模塊負責維護與調用具體設計流程，參數化設計模塊負責細節設計過程，校核計算模塊負責整機與零件的設計計算與校核，基礎支撐子系統該負責模型與參數的應用。

2.3 仿真分析功能

仿真分析子系統負責對產品的有限元分析[11]、裝配仿真、運動仿真等過程給予支撐。用戶通過平臺管理子系統與該子系統進行交互，提取仿真流程、仿真模板、分析算法，執行產品的仿真分析。仿真分析過程分為3 類：關鍵結構件有限元分析、整機裝配仿真、整機運動仿真。

在仿真分析子系統各業務流程中，設計用戶可以通過平臺管理子系統選擇仿真模式類型，進入不同的仿真流程。仿真分析子系統承載仿真過程的實際應用。其中仿真分析基礎模塊負責維護與調用具體仿真分析流程，有限元分析模塊負責結構件的有限元分析計算，裝配仿真模塊負責整機的裝配仿真計算，運動仿真模塊負責整機的運動仿真計算。整機運動仿真分析業務流程如圖3 所示。

圖3 整機運動仿真分析業務流程

2.4 圖紙配置功能

圖紙優化子系統負責優化配置輸出產品工程圖紙，包括圖紙參數變更配置、模板變更、版本切換、圖紙批量打印與輸出功能等。設計人員可通過選擇圖紙優化模式類型，進入不同的優化流程。

3 系統實現與實例應用

平臺建設從邏輯上分為6 個主要層次：用戶交互層、核心業務邏輯層、基礎業務邏輯層、數據訪問層、文檔訪問層、系統集成層。用戶交互層提供用戶交互頁面，核心業務邏輯層提供產品設計、仿真、圖紙優化的業務邏輯計算流程功能調用，基礎業務邏輯層提供平臺基礎管理功能調用，數據訪問層提供數據的封裝與接口調用[12]，文檔訪問層提供平臺相關文檔的封裝存儲接口調用，系統集成層負責封裝與外部系統交互接口。系統邏輯架構如圖4 所示。

圖4 數字化設計平臺系統邏輯架構示意圖

為保證平臺的穩定性、復用性、擴展性和獨立性，平臺有區別地對各個層暴露不同程度的擴展接口。

以減速器設計為對象，基于Windows 操作系統，采用Visual Studio 程序平臺，集成SolidWorks、eDrawings、ANSYS、AutoCAD、Office、Matlab 等軟件，應用SQLite 數據庫及C++語言開發完成分布式數字化設計平臺，實現減速器快速設計、仿真集成、圖紙優化輸出以及產品數據管理等功能。

設計計算子系統集成開發：減速器整機參數設計如圖5 所示，減速器輸出盤參數設計如圖6 所示。

圖5 減速器整機參數設計

圖6 減速器輸出盤參數設計

仿真分析子系統集成開發：減速器齒輪嚙合等效應力分布云圖如圖7 所示，減速器曲柄軸位移矢量圖如圖8 所示。

圖7 減速器齒輪嚙合等效應力分布云圖

圖8 減速器曲柄軸位移矢量圖

圖紙優化子系統開發：減速器輸出軸圖紙配置輸出如圖9 所示。

圖9 減速器輸出軸圖紙配置輸出

平臺管理子系統開發：減速器針齒殼產品結構設計規則管理如圖10 所示。

圖10 減速器針齒殼產品結構設計規則管理

樣機3D 打印：經過文中數字化設計平臺輸出的模型，通過3D 打印技術進行尺寸驗證，減速器整機3D打印樣機總裝配如圖11 所示。

圖11 減速器整機3D 打印樣機總裝配

4 結束語

文章從傳統裝備制造業在數字化轉型過程中的需求出發，構建了分布式數字化設計分析集成平臺，并以減速器為實施對象進行了應用，有效促進了企業信息化進程。

通過分布式集成平臺建設，為行業內企業進行協同設計、仿真集成和信息化提供參考路徑。文中所構建的快速設計環境，實現了快速產品設計，結合3D 打印技術，縮短了產品設計制造周期，提高了企業的市場反應能力，降低了企業設計成本。

文章研究成果將支持傳統裝備制造業加快步入新型的數字化工作模式，支持企業的網絡化、分布式、數字式的組織模式。平臺中關鍵技術的成功應用可在其他相關行業中進行推廣應用。