搭建風(fēng)洞數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)

王生利　王帆　王海　王超琪　鄭娟

摘 要：文章從風(fēng)洞研制特點(diǎn)及制約設(shè)計(jì)能力因素出發(fā)，引出建設(shè)平臺(tái)的重要性，在分析當(dāng)前平臺(tái)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，給出搭建多學(xué)科數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的目的和意義，并描述協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)和功能框架，最后指出協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)建成后能夠起到的作用。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)手段；多學(xué)科數(shù)字化設(shè)計(jì)；協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)；風(fēng)洞設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（以下簡(jiǎn)稱氣動(dòng)中心）下屬的第四研究所（以下簡(jiǎn)稱四所），是國(guó)內(nèi)唯一專業(yè)從事風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究的綜合性研究機(jī)構(gòu)[1]。近年來(lái)，隨著風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求的提高與任務(wù)的快速增長(zhǎng)[2]，現(xiàn)有風(fēng)洞設(shè)計(jì)理念陳舊、設(shè)計(jì)手段落后，設(shè)計(jì)能力不足、技術(shù)儲(chǔ)備難以適應(yīng)下一步任務(wù)要求等問(wèn)題已日趨凸顯。

風(fēng)洞作為大型復(fù)雜設(shè)備，其建設(shè)是一個(gè)集設(shè)計(jì)、分析、仿真、試驗(yàn)、優(yōu)化和管理于一體的大型工程。其研制過(guò)程如圖1所示，包括立項(xiàng)論證、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、風(fēng)洞調(diào)試幾個(gè)階段，涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、測(cè)量、控制、液壓、天平設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理等多學(xué)科領(lǐng)域[3]。在建設(shè)過(guò)程中，需要眾多工程技術(shù)人員的協(xié)調(diào)，處理海量的數(shù)據(jù)資源，運(yùn)用不同領(lǐng)域的專業(yè)工具軟件，經(jīng)歷復(fù)雜的、科學(xué)的反復(fù)迭代設(shè)計(jì)過(guò)程。

目前，四所設(shè)計(jì)手段主要基于1996年前設(shè)計(jì)建成的CAD平臺(tái)，該設(shè)計(jì)平臺(tái)已明顯表現(xiàn)出難以滿足眾多且要求日益復(fù)雜的新風(fēng)洞設(shè)計(jì)要求，逐漸成為高質(zhì)高效完成科研任務(wù)的瓶頸，甚至在一定程度上限制或阻礙了風(fēng)洞設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高；而且，現(xiàn)有的風(fēng)洞CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用技術(shù)嚴(yán)重滯后于當(dāng)今業(yè)已成熟的CAx技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用——數(shù)字化、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真，與四所在國(guó)內(nèi)堪稱風(fēng)洞設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“國(guó)家中心”地位極不相稱，與實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計(jì)與建設(shè)水平“世界一流”的目標(biāo)要求相差甚遠(yuǎn)。

構(gòu)建一套基于先進(jìn)CAx技術(shù)、全數(shù)字化的風(fēng)洞多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，以提升風(fēng)洞設(shè)計(jì)手段、提高風(fēng)洞設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研制周期、降低研制成本，是解決上述問(wèn)題有效途徑[4]。

1 平臺(tái)建設(shè)的目的和意義

1.1 風(fēng)洞研制的特點(diǎn)

風(fēng)洞研制過(guò)程呈現(xiàn)的一系列特點(diǎn)，可以概括為兩大方面：一方面，每個(gè)研制階段所涉及的專業(yè)較多，跨專業(yè)多級(jí)業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，業(yè)務(wù)流程中所使用的不同學(xué)科工具軟件較多，工具軟件之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系復(fù)雜，而且復(fù)雜的研制流程還需要進(jìn)行反復(fù)迭代才能獲得有效的設(shè)計(jì)結(jié)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(shè)計(jì)起點(diǎn)，迭代過(guò)程中基于經(jīng)驗(yàn)的合理參數(shù)調(diào)整往往有助于減少迭代的次數(shù)，兩者皆有助于縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.2 影響風(fēng)洞設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵要素

根據(jù)風(fēng)洞研制的特點(diǎn)可知：影響風(fēng)洞設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵要素為：設(shè)計(jì)流程的積累、應(yīng)用和管理水平；設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真工具軟件應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累和應(yīng)用水平；設(shè)計(jì)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有設(shè)計(jì)成果的積累和應(yīng)用水平；風(fēng)洞設(shè)計(jì)相關(guān)的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真的綜合能力；設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合管理水平。

1.3 現(xiàn)有CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)及其存在的主要問(wèn)題

現(xiàn)有的風(fēng)洞CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞三維方案設(shè)計(jì)、二維出圖以及部件級(jí)性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，但在系統(tǒng)配置和應(yīng)用方面存在很多問(wèn)題。如三維大型復(fù)雜裝配設(shè)計(jì)軟件許可用戶數(shù)嚴(yán)重不足、風(fēng)洞CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)缺乏各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境、缺乏風(fēng)洞性能多學(xué)科協(xié)同仿真環(huán)境、缺乏風(fēng)洞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效管理等。

由于上述問(wèn)題的存在，就現(xiàn)有的設(shè)計(jì)隊(duì)伍，憑借現(xiàn)有的風(fēng)洞CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)，要高質(zhì)高效完成目前前所未有的風(fēng)洞設(shè)計(jì)與建設(shè)任務(wù)是難以想象的。而采用基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、多學(xué)科協(xié)同仿真及項(xiàng)目流程管理技術(shù)等是解決上述問(wèn)題的有效技術(shù)途徑。

1.4 平臺(tái)建設(shè)的目的和意義

平臺(tái)建設(shè)的主要目的就是：在風(fēng)洞研制過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)人員之間、項(xiàng)目管理人員之間的有效協(xié)同；實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)設(shè)計(jì)工具和手段的充分集成；綜合考慮各個(gè)學(xué)科之間耦合效應(yīng)的仿真；實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程數(shù)據(jù)有效管理和知識(shí)數(shù)據(jù)的管理和再用。

平臺(tái)建設(shè)的意義在于：改善風(fēng)洞設(shè)計(jì)手段、提高風(fēng)洞設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短風(fēng)洞研制周期、降低研制成本，有效提升風(fēng)洞設(shè)計(jì)水平，高質(zhì)高效完成各項(xiàng)研制任務(wù)。

2 平臺(tái)總體方案

2.1 平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

基于通用的集成設(shè)計(jì)與仿真體系結(jié)構(gòu)，風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括信息集成層、技術(shù)支撐層、集成平臺(tái)層和用戶層。

從平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)中可知：在四層結(jié)構(gòu)中，信息集成層、技術(shù)支撐層為任何專業(yè)、任何產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的通用體系，用戶層僅為企業(yè)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)界面，唯有集成平臺(tái)層是體現(xiàn)集成設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的應(yīng)用功能、設(shè)計(jì)對(duì)象特色的關(guān)鍵層。

在集成平臺(tái)層，協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境、仿真分析環(huán)境所包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真流程、工具軟件及自編軟件、設(shè)計(jì)知識(shí)管理環(huán)境是體現(xiàn)集成平臺(tái)是否具備專業(yè)或行業(yè)特色的關(guān)鍵要素。系統(tǒng)管理環(huán)境、可視化環(huán)境所包含的項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)管理等均為其提供技術(shù)支撐。

因此，將風(fēng)洞設(shè)計(jì)與仿真特有的各專業(yè)工具軟件、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)知識(shí)、規(guī)范及管理流程融入到集成設(shè)計(jì)與仿真體系結(jié)構(gòu)的集成平臺(tái)層中，是風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)具有風(fēng)洞設(shè)計(jì)特色的唯一標(biāo)志。

2.2 平臺(tái)功能框架

根據(jù)風(fēng)洞研制中的跨專業(yè)、多學(xué)科的設(shè)計(jì)迭代過(guò)程和分析仿真過(guò)程緊密結(jié)合而形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)循環(huán)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)高度關(guān)聯(lián)而構(gòu)成風(fēng)洞數(shù)字化虛擬樣機(jī)的特征，可將體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境、仿真分析環(huán)境及知識(shí)管理環(huán)境歸為風(fēng)洞設(shè)計(jì)與仿真過(guò)程管理體系；將系統(tǒng)管理環(huán)境分解為風(fēng)洞科研項(xiàng)目管理體系和風(fēng)洞設(shè)計(jì)與仿真數(shù)據(jù)管理體系，由此形成由風(fēng)洞科研項(xiàng)目管理體系、風(fēng)洞設(shè)計(jì)與仿真過(guò)程管理體系、風(fēng)洞設(shè)計(jì)與仿真數(shù)據(jù)管理體系三大體系以及風(fēng)洞知識(shí)管理系統(tǒng)、風(fēng)洞虛擬樣機(jī)展示子系統(tǒng)和硬件/網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)成的平臺(tái)功能架構(gòu)，如圖3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)建成后，在氣動(dòng)方面：將能規(guī)范氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程、提高氣動(dòng)設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)性能的精細(xì)化模擬，進(jìn)而提升氣動(dòng)設(shè)計(jì)能力；在結(jié)構(gòu)方面：能實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)從二維設(shè)計(jì)到三維全數(shù)字化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，提高設(shè)計(jì)手段。實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真，提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)水平。實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞復(fù)雜部段、甚至風(fēng)洞整體的數(shù)字化裝配，避免零部件出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，減少設(shè)計(jì)的返工量；在測(cè)控方面：實(shí)現(xiàn)控制軟件無(wú)縫接入設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)進(jìn)行在線調(diào)試和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)字風(fēng)洞進(jìn)行氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)及測(cè)控多專業(yè)、多學(xué)科的聯(lián)合仿真，實(shí)時(shí)顯示風(fēng)洞流場(chǎng)特性參數(shù)及曲線、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)曲線。

（2）風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計(jì)與仿真手段與世界先進(jìn)水平接軌，從現(xiàn)有的傳統(tǒng)模式快速跨越到國(guó)際先進(jìn)水平；風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的應(yīng)用，將改變風(fēng)洞設(shè)計(jì)方式，提升設(shè)計(jì)理念，在提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量和風(fēng)洞性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞設(shè)計(jì)模式的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玉明.項(xiàng)目管理在大型風(fēng)洞設(shè)計(jì)對(duì)外合作中的應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[2]郭東明，雒建斌，方岱寧，等.大型風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[J].中國(guó)科學(xué)基金，2017（5）：420-421.

[3]劉政崇.風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2005：6-7.

[4]王超琪.風(fēng)洞數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)建設(shè)方案[Z].