面向設計重用的柴油機數字樣機構建技術

楊維峰等

為了實現柴油機的數字化設計制造一體化集成，本文研究了數字化技術的發展趨勢，描述了柴油機數字樣機的定義，闡述了主動地應用、創建設計重用資源，構建柴油機數字樣機的關鍵技術，主要包括仿真模型的階段性繼承重用、自頂向下模塊化設計方法、產品數據管理、知識工程以及軟件系統集成等技術。

目前，美、德、日等發達國家通過采用先進的物聯網技術，打造數字化工廠，實現了從采購、生產到銷售和服務的全產業鏈的數字化，而我國在數字化制造領域尚缺乏自主知識產權的數字化制造技術，迫使我國加快工業轉型升級的步伐，借鑒德國工業 4.0計劃，使工業化、信息化深度融合，力爭在 2025年從工業大國轉型為工業強國。企業要進行產品結構調整和自主產品創新，通過產品設計手段與設計過程的數字化和智能化，應用數字樣機技術，以全新的設計模式和開發體系，給設計過程加入數字化的驗證手段，顯著提高產品研發速度和研發質量，降低研發成本，不斷提高企業的產品創新能力、快速反應能力、競爭能力和經濟效益。

面向設計重用，就是主動地應用和創建設計重用資源 （包括知識、技術和系統等 ）。構建柴油機數字樣機是充分體現了設計重用思想的創新活動。

一、柴油機數字樣機

隨著虛擬產品開發（Virtual Product Development，VPD）和產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）等多種數字化技術的應用，產品創新領域引發了大變革，數字樣機技術是各領域 CAX/DFX技術的發展和延伸。在數字樣機概念出現前期，國內外文獻出現了數字化產品模型技術（Digital Mock-Up）或數字化樣機（Digital Prototype）、功能虛擬樣機（Functional Virtual Prototype）或虛擬樣機（Virtual Prototype）、虛擬工廠仿真（Virtual Factory Simulation）或數字工廠（e-Factory）等概念，表明仿真在產品設計過程中的應用趨于協同化和系統化，而且越來越廣泛而深刻，由原先的局部應用（單領域、單點）逐步擴展到系統應用（多領域、全生命周期）。

GB/T 26100-2010《機械產品數字樣機通用要求》對數字樣機（Digital Mock-Up，DMU）的定義是：對機械產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述，這種描述不僅反映了產品對象的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產品對象的功能和性能。產品的數字樣機形成于產品設計階段，可應用于產品的全生命周期，這包括：工程設計、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、售后和回收等環節；數字樣機在功能上可實現產品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工制造模擬、使用者培訓、宣傳和維修規劃等方面。

根據功能和應用對象，柴油機數字樣機可以分為以結構樣機、性能樣機和功能樣機等為主的設計信息樣機，以及以制造樣機、裝配樣機、展示樣機和培訓樣機等為主的專用樣機。

結構樣機是用于描述柴油機幾何形狀的數字樣機，是柴油機外形輪廓、基本結構等方面的數字化表達。除了柴油機內部和外部各零部件的幾何形狀外，結構樣機還包含了柴油機重量、重心等信息，并支持零部件運動間隙、干涉檢查和尺寸鏈等信息的獲取。

性能樣機是側重于產品性能描述的數字樣機，用于柴油機性能、子系統參數的設計與表達，支持燃燒過程分析與控制。通過從性能樣機中提取結構及參數，可以進行供油系、進排氣系（含增壓）、冷卻系和潤滑系的參數設計和結構優化，支撐子系統間協調優化。性能樣機還包含柴油機可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性和環境適應性等方面的信息。性能樣機允許按子系統（燃燒、供油、電控、進排氣和冷卻和潤滑等）分別創建。

功能樣機是側重于產品功能描述的數字樣機，用于柴油機零部件的設計與表達，可以進行曲軸連桿機構、傳動機構和配氣機構及其支撐、定位結構的分析，支持密封及緊固設計。通過從功能樣機中提取結構及參數，可以進行運動機構剛強度、運動狀態及接觸狀態等的分析。除了柴油機運動過程中零部件的運動學信息（位移、速度和加速度等）和動力學信息（作用力、摩擦力及預緊力等）外，功能樣機還能夠表達柴油機各運動機構的協調關系。功能樣機可按運動機構（曲軸連桿機構、配氣機構和傳動機構）分別創建，并可以支持運動機構間協調優化工作。

專用樣機是為支持柴油機全生命周期過程中特殊用途而構建的柴油機數字樣機，是實物樣機用于制造、裝配和使用的數字化表達。制造樣機包含零部件的 CAM及CAPP仿真分析，零部件的成型、加工過程，表面粗糙度要求，以及尺寸公差等信息；裝配樣機包含樣機裝配工裝、裝配路徑、裝配順序以及裝配過程中的人機工程學模擬信息；展示樣機著重表達了柴油機的關鍵技術的零部件、子系統等，以及新材料、新工藝的應用信息；培訓樣機著重于表達柴油機操作過程，日常維護等信息。

二、構建柴油機數字樣機的階段性繼承重用

數字化產品開發主要包括三維幾何建模技術、產品數字化定義、數字化裝配技術、數字化仿真分析以及產品的數字化加工等部分。在產品數字化定義的基礎上，通過虛擬裝配，協調各零件之間的間隙，排除各種不合理的設計和干涉，進行運動機構分析，模擬零部件安裝、拆卸分析，功能、性能交互仿真分析，系統部件行為的交互模擬分析等一系列設計活動，最終形成數字樣機。

柴油機數字樣機研發過程中至少需要進行概念設計、方案設計和工程設計三輪樣機構建。數字樣機仿真是可演進的，上一階段的數字樣機是下一階段設計的輸入和依據，每一階段數字樣機都已經首先包含上一階段數字樣機的所有相關信息，不同階段仿真模型是繼承重用。具體如表所示。

1.構建概念設計階段數字樣機

柴油機概念設計階段數字樣機，用于描述柴油機的基本技術方案，確定柴油機外形，并完成各子系統結構及協調關系，對零部件外形及功能結構進行確認。概念設計階段提交的數字樣機至少包含結構樣機和性能樣機。endprint

概念設計階段的結構樣機至少包含柴油機各部件、系統的基本結構和在柴油機內的布置，柴油機缸蓋進排氣道結構和三維形狀，柴油機整機支撐布局及主要承力結構，柴油機外部輪廓限制尺寸，柴油機與臺架、整機的主要接口。

概念設計階段的性能樣機至少包含柴油機單缸機試驗及一維燃燒分析信息，供油系部件試驗及分析信息，進排氣道性能部件試驗及分析信息，冷卻系、潤滑系一維分析信息，電控策略信息。

2.構建方案設計階段數字樣機

柴油機方案設計階段數字樣機，用于定義柴油機的基本物理布局和重要結構尺寸，同時完成柴油機整機和部件級結構可靠性的分析和確認，并完成整機及零部件的設計仿真和優化。方案設計階段提交的數字樣機至少包含結構樣機、性能樣機和功能樣機。

方案設計階段的結構樣機至少包含整機及關鍵零部件剛度三維仿真分析信息，柴油機主要附件布置，柴油機所有部件間結構劃分和部件間的詳細結構尺寸，零部件的主要結構，柴油機主要維護保養點所需結構，柴油機主要管路系統、電控系統及其連接，柴油機的初步輪廓和主要接口。

方案設計階段的性能樣機至少包含柴油機燃燒過程三維仿真信息，柴油機冷卻、潤滑、進排氣和供油系統三維仿真信息。

方案設計階段的功能樣機至少包含柴油機整機及主要零部件剛度三維仿真信息，柴油機整機振動噪聲三維仿真信息，柴油機運動機構機械運動仿真信息和運動學、動力學分析信息，柴油機緊固和密封設計信息。

3.構建工程設計階段數字樣機

柴油機工程設計階段數字樣機，用于支持全生命周期的數字化設計、仿真分析、制造、裝配、試驗、使用及維護。工程設計階段提交的數字樣機包含結構樣機、性能樣機、功能樣機和專用樣機。

工程設計階段的結構樣機包含柴油機數字化預裝配信息，柴油機所有零部件的詳細結構尺寸，柴油機所有維護保養點所需結構尺寸，完整的管路、電控系統結構尺寸，柴油機所有外圍接口。

工程設計階段的性能樣機包含柴油機可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性和環境適應性等信息。

工程設計階段的功能樣機包含整機關鍵部位疲勞安全系數信息，關鍵零部件應力分析信息，關鍵運動件變形信息和接觸及疲勞安全系數信息。

三、構建柴油機數字樣機的自頂向下、模塊化設計方法

數字樣機的構建流程采用模塊化設計方法，設計任務由總體到系統、部件逐級分解，由部件、系統到整機逐步組合，實現產品的并行設計，支持多專業人員的協同。

模型重用的基礎是模塊化，即每個可重用的模型必須以一個可分離的方式獨立存在，通過標準的輸入 /輸出接口定義實現模塊功能和表現形式的獨立性。模塊化設計是在對一定范圍內的不同功能或相同功能而不同性能和規格的產品進行市場預測、功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構成不同的產品，以滿足市場的不同需求的設計方法。重用已有的經過試驗、生產和市場驗證的模塊，可以降低設計風險，提高產品的

可靠性和設計質量。構建數字樣機只是實現了幾何上的模塊化，我們要實現產品研發過程的模塊化。

模型結構的層次化是組織復雜模型的有效方法。數字樣機構建過程中參數及接口傳遞按照自頂向下的順序分層次構建，逐步細化。頂層通過參數文件和總體骨架模型，表達及協調設計參數、設計結構、外廓約束、部件間接口、聯接、緊固和密封等，并以協調卡片和發布骨架的形式階段性穩定設計狀態。柴油機整機模型構建程序如圖 1所示。

柴油機數字樣機設計間、設計與仿真間、設計與工藝間協同方法和協同節點按照柴油機各階段設計流程開展。數字樣機包含柴油機的機械結構和子系統協調關系，以用于結構和性能分析。

四、構建柴油機數字樣機的數據管理平臺

數字樣機是表達產品所有狀態最根本的依據。完備的數字化產品模型，不僅是要描述產品整個生命周期某個過程的產品構成情況，而且對產品技術狀態的標識、審核和控制都要求很高。數字樣機是通過產品數據管理（Product DataManagement，PDM）系統進行存儲和管理的。將產品在自頂向下建模設計過程中產生的與產品相關的設計、分析數據（包括骨架模型、三維模型、二維圖樣、運動機構仿真動畫及虛擬裝配動畫、測試數據和仿真分析報告等），按研制階段的不同應用要求提交到 PDM系統，根據數據類型的不同分別進入產品、參數、試驗和生產等數據管理系統進行統一的規劃和管理。簽入并確認有效性的數字樣機數據在全生命周期內為單一數據源，數據的關聯、提交、版本、更改和衍生應進行受控管理。應根據不同平臺、不同階段、不同單位和不同用途等情況 ，考慮數字模型的轉換和合并 ，提出模型的交互格式要求。由于產品數據安全集中共享，設計人員可以很方便地查找、借用其它同類產品的設計經驗，設計重用率大大提高。

PDM管理的不僅是數據，設計重用的對象包括可重用的設計結果和設計方法、工具和過程等抽象知識?？芍赜玫慕Y果可以減少重復的零部件的設計；可重用的過程就是模塊化封裝的過程，可以減少設計過程中某一環節的重復。

數字樣機的仿真分析需要結合實物試驗數據。用數字樣機技術進行仿真分析（含有簡化和假設）的結果，只有重用并對比了企業積累的用實物樣機進行產品開發的試驗測試結果，如圖 2所示，才能建立對仿真分析的置信度，提高產品設計水平，實現原始創新。

企業要有目的地建立和挖掘提取可重用設計資源，減少創新開發中的重復勞動。按參數化設計要求，構建產品需求的通用件、標準件庫，而且通用件、標準件等模型庫必須唯一，保證設計重用時的方便準確調用。

五、構建柴油機數字樣機的知識工程

在柴油機全生命周期中，數字樣機創建過程中的每一步實質上都是知識應用和驅動的過程。應用知識工程 （KnowledgeBased Engineering，KBE），將知識、技能、經驗、原理和規范等融合、重用到產品的設計開發環境中，構建了一個知識驅動的可回溯的迭代與進化過程，使得工程設計人員在自動或交互的復合環境中，只要輸入工況參數或工程參數或應用要求，系統就能依據相關的知識（規則），自動推理構造出符合該特定要求下的產品零部件數字模型。

六、結語

數字化設計的關鍵是要實現仿真間的互操作，促進仿真資源（特別是模型資源）的重用。在產品數字化設計的全生命周期中，標準化的數據接口和模塊化的、集成的平臺非常重要。構建柴油機數字樣機必須規范三維基礎環境配置，統一仿真建模環境。為了實現廠所之間數字樣機相關軟件的模型重用和信息集成，從現在的互聯到互通，直到互操作，車用動力數字化工程正在完善設計制造遠程異地一體化協同平臺，實現分布在不同地點的多個企業之間對數字樣機的集成應用、互操作，實現設計制造并行。endprint