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(chuàng)新點:針對總體設(shè)計中協(xié)同和優(yōu)化設(shè)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(tǒng)設(shè)計的通用框架系統(tǒng),實現(xiàn)了動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計及優(yōu)化功能。
多學(xué)科協(xié)同設(shè)計開始于20世紀(jì)80年代末90年代初,首先在美國航空航天工業(yè)界興起,目前已經(jīng)成為以美國為首等發(fā)達(dá)資本主義國家工業(yè)界一個嶄新的研究領(lǐng)域,受到了企業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。多學(xué)科協(xié)同設(shè)計的基本目的就是充分利用各個學(xué)科(子系統(tǒng))的相互配合,從而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),獲得整個系統(tǒng)的整體最優(yōu)解,同時還要實現(xiàn)各學(xué)科的并行優(yōu)化設(shè)計[1-7]。
動力傳動輔助系統(tǒng)是軍用車輛的重要系統(tǒng),其是保證軍用車輛動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及其他相關(guān)分系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵,直接影響到車輛在各種復(fù)雜環(huán)境下的機動性和生存能力。動力傳動輔助系統(tǒng)的設(shè)計研制覆蓋冷卻、潤滑以及空氣供給等多個不同子專業(yè),涉及流動、傳熱以及強度校核等多個不同的學(xué)科,具有復(fù)雜程度高、多學(xué)科多領(lǐng)域交互影響等特點。
傳統(tǒng)的軍用車輛動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計中,涉及的各學(xué)科專業(yè)的計算程序和分析工具基本彼此獨立,依靠設(shè)計報告和數(shù)據(jù)文件方式進行協(xié)調(diào),在參數(shù)約定、數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)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(yán)重制約了設(shè)計效率。因此,亟須建立一個支持多學(xué)科自動化參數(shù)耦合、轉(zhuǎn)換與傳遞的集成協(xié)同系統(tǒng)來提高總體設(shè)計效率。同時,軍用車輛動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計集中體現(xiàn)了總體設(shè)計工作全局性、復(fù)雜性的系統(tǒng)工程要求,如何協(xié)調(diào)與優(yōu)化諸多學(xué)科專業(yè)間的任務(wù)和參數(shù),尋求系統(tǒng)級的最優(yōu)目標(biāo),進而提高軍用車輛動力傳動輔助系統(tǒng)的總體性能指標(biāo),具有十分重要的意義。
本文論述的動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng),針對總體設(shè)計中協(xié)同和優(yōu)化設(shè)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(tǒng)設(shè)計的通用框架系統(tǒng),實現(xiàn)了以下兩方面功能:
(1)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計功能。有效的組織設(shè)計中的各學(xué)科計算和分析模型,將各學(xué)科設(shè)計工具封裝后集成到系統(tǒng)中,并精確實現(xiàn)各學(xué)科模型間的耦合關(guān)系,在系統(tǒng)上進行自動化的協(xié)同計算。
(2)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化功能。在集成協(xié)同的基礎(chǔ)上,提供優(yōu)化設(shè)計過程所需的各種工具,為系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化提供全面和有力的支持。
為實現(xiàn)快速、便捷的協(xié)同和優(yōu)化,系統(tǒng)需要滿足以下主要功能要求:
(1)梳理現(xiàn)行設(shè)計流程中典型的理論、經(jīng)驗計算方法,通過補充開發(fā)相應(yīng)的專用設(shè)計程序,進行算法初步固化,為自主算法程序開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
(2)實現(xiàn)對動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計階段中所涉及的各類知識型研發(fā)能力要素的積累、整合和重用。快速實現(xiàn)對動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計仿真流程的表達(dá)和重用;實現(xiàn)對不同類別且不斷增加的動力傳動輔助系統(tǒng)各專業(yè)設(shè)計仿真工具軟件的集成;支持對動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計仿真領(lǐng)域的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、設(shè)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(tǒng)研發(fā)過程中各種協(xié)作型要素對研發(fā)能力的制約。保障對系統(tǒng)總體和各子系統(tǒng)專業(yè)在不同階段生成的設(shè)計數(shù)據(jù)和分析仿真數(shù)據(jù)進行有序、關(guān)聯(lián)管理;保障在設(shè)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(shù);平衡對設(shè)計仿真流程的規(guī)范化要求和實際設(shè)計中必然反復(fù)進行的“自由”迭代過程之間的矛盾;銜接設(shè)計迭代過程和技術(shù)狀態(tài)確定過程;提高協(xié)作過程和數(shù)據(jù)的一致性,避免設(shè)計過程中的低級錯誤。
(4)建立覆蓋動力傳動輔助系統(tǒng)各子專業(yè)的設(shè)計對象組成層次,并容納其各級指標(biāo)參數(shù)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(tǒng)總體與各子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)與部件(如:冷卻系與風(fēng)扇部件)之間的參數(shù)級指標(biāo)分配與反饋;也支持骨架模型文件和協(xié)調(diào)文檔的下發(fā)與三維模型和文檔的反饋。
綜合上述功能,建立一種學(xué)習(xí)型的高效協(xié)作環(huán)境。促進研發(fā)人員的知識、經(jīng)驗積累、共享和傳承,大幅度減少低水平的重復(fù),大量減少設(shè)計人員在設(shè)計迭代過程為進行工具軟件之間的銜接和數(shù)據(jù)傳遞,以及人員、學(xué)科、專業(yè)之間的協(xié)作而進行的“低級”勞動,使設(shè)計人員有更多的精力進行真正的專業(yè)活動。加快設(shè)計迭代過程,為在更短的時間設(shè)計更多的動力傳動輔助系統(tǒng)方案并進行優(yōu)選提供可能。以此為基礎(chǔ),通過動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)與TDM試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成,銜接設(shè)計流程與試驗驗證流程,并綜合關(guān)聯(lián)設(shè)計過程數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果數(shù)據(jù),支持設(shè)計人員利用試驗結(jié)果數(shù)據(jù)評估優(yōu)化設(shè)計方案、校核數(shù)字化仿真模型和方法。利用系統(tǒng)建設(shè)實施過程,培養(yǎng)出能夠有效掌握“動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)”的使用與擴展技能以及專業(yè)算法編程基礎(chǔ)技能的人員團隊,保障動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計仿真流程、工具軟件使用方法、規(guī)范準(zhǔn)則、經(jīng)驗數(shù)據(jù)和可復(fù)用參考模型等一系列知識要素,可以在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中得到持續(xù)補充和完善,從而保持系統(tǒng)的生命力。
動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)主要包括產(chǎn)品設(shè)計仿真活動、設(shè)計仿真工具軟件、設(shè)計流程、設(shè)計仿真能力要素以及設(shè)計仿真集成管理系統(tǒng)等組成部分,具體如圖1所示。其中,系統(tǒng)集成的工具軟件、定制的設(shè)計流程以及系統(tǒng)容納的研發(fā)能力要素是多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。

圖1 動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)組成框架
不同學(xué)科和專業(yè)類別的工具軟件和算法程序需要被動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)封裝和集成,以便支持動力傳動輔助系統(tǒng)跨專業(yè)、多學(xué)科設(shè)計仿真過程。
系統(tǒng)能有效地集成各專業(yè)學(xué)科使用的設(shè)計、計算和分析工具軟件,包括自主研發(fā)軟件、商業(yè)軟件(CAD/CAE)、電子數(shù)據(jù)表格等,各專業(yè)工具軟件在系統(tǒng)中以學(xué)科模型的形式共享出來,供總體設(shè)計協(xié)同計算時引用。系統(tǒng)能夠提供常用CAD/CAE軟件(如Pro/E、Fluent等)接口庫,實現(xiàn)通用商業(yè)軟件模型的快速集成。系統(tǒng)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(fā)軟件二次集成。
該系統(tǒng)支持多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(MDO)范疇的型號總體協(xié)同和優(yōu)化設(shè)計,按流程順序可劃分為基礎(chǔ)類活動和設(shè)計類活動。基礎(chǔ)類活動包括總體設(shè)計規(guī)劃、各學(xué)科模型生成、總體建模等活動,為后續(xù)設(shè)計活動提供所需的規(guī)劃和模型基礎(chǔ),是協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的起點;設(shè)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(yōu)化等設(shè)計活動,包括設(shè)計試驗(DOE)、參數(shù)敏感度分析(GSA)、方案優(yōu)化運算等。
(1)總體設(shè)計規(guī)劃
總體設(shè)計師根據(jù)型號總體設(shè)計需要,確定參與總體設(shè)計的學(xué)科專業(yè),明確各學(xué)科設(shè)計順序和模型輸入輸出耦合關(guān)系,編制數(shù)據(jù)定義字典,以指導(dǎo)各學(xué)科和總體規(guī)范化建模;并選定總體優(yōu)化目標(biāo)、輸入?yún)?shù)約束范圍,為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。
(2)學(xué)科模型生成與封裝
學(xué)科設(shè)計師在本專業(yè)數(shù)字化設(shè)計單元的支持下生成學(xué)科模型,功能和輸入輸出滿足總體規(guī)劃,生成的學(xué)科模型提交至集成系統(tǒng)。
(3)總體模型生成
總體設(shè)計師根據(jù)總體規(guī)劃要求,通過引用各學(xué)科模型并實現(xiàn)參數(shù)耦合關(guān)系,建立總體模型,作為后續(xù)研究對象。
(4)參數(shù)設(shè)計試驗
參數(shù)設(shè)計試驗(DOE)是指按照一定規(guī)則,給定一系列的參數(shù)輸入范圍,驅(qū)動總體模型進行運算分析得到相應(yīng)輸出的設(shè)計活動,得到的設(shè)計試驗數(shù)據(jù)是后續(xù)研究工作的依據(jù)。
(5)參數(shù)靈敏度分析
參數(shù)靈敏度分析(GSA)利用設(shè)計試驗數(shù)據(jù),運行統(tǒng)計分析方法,找到對總體優(yōu)化目標(biāo)影響較大的參數(shù)。對于軍用車輛動力傳動輔助系統(tǒng)這種功能多樣、組成復(fù)雜的系統(tǒng)來說,很難利用全局靈敏度方程等經(jīng)典靈敏度分析算法。結(jié)合以往型號設(shè)計經(jīng)驗,繪制總體模型輸入-輸出響應(yīng)曲線進行分析,是目前行之有效的方法。
(6)待優(yōu)化方案設(shè)計
選定需優(yōu)化的參數(shù)后,如優(yōu)化參數(shù)較多,會因優(yōu)化維數(shù)過大導(dǎo)致優(yōu)化運算時間過長或無法收斂,這時應(yīng)對某些參數(shù)進行分段離散化處理,形成若干個待優(yōu)化方案,以保證優(yōu)化運算的正常進行。
幼兒園應(yīng)該充分滿足幼兒在活動中所需的各種設(shè)備器材,這對激發(fā)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(yīng)該在開展區(qū)域活動的過程中讓幼兒充分體會到區(qū)域活動的樂趣。這就需要幼兒園重視區(qū)域活動的場地建設(shè)和器材配備,不斷完善加強活動所需的硬件設(shè)施,以此來保證幼兒在活動中有充足的器材,進而提升區(qū)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(yōu)化后的方案數(shù)據(jù)進行比較和選擇,作為得到最終方案優(yōu)化結(jié)果的依據(jù)。
被動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)容納的研發(fā)能力要素主要包括下述幾類:
(1)設(shè)計對象和指標(biāo)參數(shù)體系。動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中需要容納動力傳動輔助系統(tǒng)總體、子系統(tǒng)、部件等不同級次的設(shè)計對象和指標(biāo)參數(shù)組成體系,為引導(dǎo)設(shè)計師完成動力傳動輔助系統(tǒng)跨專業(yè)、多學(xué)科設(shè)計仿真過程,并同步進行指標(biāo)參數(shù)體系分解和反饋驗證提供支撐。
(2)設(shè)計仿真流程。動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中需要容納總體和各子系統(tǒng)專業(yè)的設(shè)計、分析、仿真流程,以便規(guī)范化的引導(dǎo)動力傳動輔助系統(tǒng)跨專業(yè)、多學(xué)科設(shè)計過程進行有序的設(shè)計迭代。
(3)設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中需要容納總體和各子系統(tǒng)專業(yè)的設(shè)計規(guī)范、設(shè)計準(zhǔn)則和判據(jù),以便設(shè)計人員在動力傳動輔助系統(tǒng)跨專業(yè)、多學(xué)科設(shè)計仿真過程中能夠隨時查閱規(guī)范,并根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則和判據(jù)在設(shè)計迭代過程中進行科學(xué)的設(shè)計參數(shù)選擇和設(shè)計過程選擇,從而加快設(shè)計迭代過程。
多學(xué)科關(guān)聯(lián)對象建模和數(shù)據(jù)管理技術(shù)就是采用多學(xué)科關(guān)聯(lián)的參數(shù)級對象建模方法,在設(shè)計仿真迭代過程中逐步建立動力傳動輔助系統(tǒng)總體和各子系統(tǒng)多學(xué)科關(guān)聯(lián)參數(shù)級抽象模型,容納動力傳動輔助系統(tǒng)的跨專業(yè)、多學(xué)科關(guān)聯(lián)的指標(biāo)參數(shù)體系(包括:技術(shù)指標(biāo)、工作環(huán)境參數(shù)和設(shè)計參數(shù)等)。
基于多學(xué)科關(guān)聯(lián)的參數(shù)對象模型,綜合關(guān)聯(lián)管理在迭代過程中各工具軟件所建立的系統(tǒng)總體和各子系統(tǒng)專業(yè)的性能、結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型和數(shù)據(jù),從而以參數(shù)級對象模型為中樞,形成動力傳動輔助系統(tǒng)總體和各子系統(tǒng)多學(xué)科關(guān)聯(lián)數(shù)字化模型。并最終使動力傳動輔助系統(tǒng)指標(biāo)對象參數(shù)體系得以獨立和相對穩(wěn)定的存在于協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中,作為數(shù)字化設(shè)計仿真過程的中樞,與數(shù)字化流程驅(qū)動的各種設(shè)計仿真工具軟件交換數(shù)據(jù)。而設(shè)計仿真流程和工具便可以成為與設(shè)計/仿真對象相關(guān)聯(lián)的設(shè)計仿真資源,可以隨著專業(yè)技術(shù)的成熟度發(fā)展而不斷擴充、更換和發(fā)展,從而有效的應(yīng)對目前動力傳動輔助系統(tǒng)各專業(yè)設(shè)計流程的算法、工具不夠成熟的現(xiàn)實問題。
可支持動力傳動輔助系統(tǒng)實際設(shè)計迭代過程的設(shè)計/仿真流程管理技術(shù)主要包括下述幾個方面:
(1)先進的智能化流程引擎技術(shù)。提供流程定義、流程遞推、任務(wù)提醒等流程驅(qū)動所需要的核心服務(wù),支持多項目和多級流程、串并行和回饋關(guān)系、智能化的分支和回饋判據(jù),提供流程運行時的智能化調(diào)整能力,具體如圖2所示。

圖2 支持智能化判據(jù)的流程驅(qū)動引擎
(2)圖形化流程規(guī)劃技術(shù)。能夠以圖形化的形式、所見即所得的定義產(chǎn)品設(shè)計/仿真流程,表達(dá)流程中任務(wù)對應(yīng)用程序的調(diào)用關(guān)系。
(3)流程自動記錄能力。能夠幫助專業(yè)人員將模糊的設(shè)計過程逐步清晰化、規(guī)范化。
(4)流程自由迭代執(zhí)行技術(shù)。可以在流程定義時預(yù)定可能進行迭代的任務(wù)和迭代條件,也可以由設(shè)計人員根據(jù)需要在流程執(zhí)行過程中靈活的選擇需要重復(fù)迭代的任務(wù),從而滿足實際研發(fā)工作中的靈活迭代需求。
(5)在跨專業(yè)協(xié)作方面,還需要采用先進的數(shù)據(jù)發(fā)布、接收和變更追蹤技術(shù)。通過專業(yè)設(shè)計對象與設(shè)計流程的關(guān)聯(lián),保障原本就相對獨立的各專業(yè)設(shè)計流程保持其應(yīng)用的獨立性。通過專業(yè)設(shè)計對象之間的數(shù)據(jù)發(fā)布和變更追蹤機制,引導(dǎo)相關(guān)專業(yè)進行協(xié)作數(shù)據(jù)的發(fā)布、接收、變更追蹤和更改波及分析等,實現(xiàn)以協(xié)作數(shù)據(jù)為中心、基于弱耦合的柔性流程來支撐跨專業(yè)協(xié)作。通過非編程定制方式,在多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中,既可以預(yù)先指定規(guī)范化的數(shù)據(jù)接收對象和發(fā)布數(shù)據(jù)內(nèi)容,也可以臨時根據(jù)項目需要,自定義或調(diào)整已有的數(shù)據(jù)發(fā)布封裝所定義的數(shù)據(jù)接收對象和發(fā)布數(shù)據(jù)內(nèi)容,具體如圖3所示。

圖3 以多學(xué)科關(guān)聯(lián)對象模型為基礎(chǔ)的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計迭代過程
提供用于動力傳動輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的Pro/E三維CAD軟件的內(nèi)嵌集成,按照動力傳動輔助系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實時管理結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和數(shù)據(jù),銜接各專業(yè)的性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與基于結(jié)構(gòu)模型的分析仿真過程。同時,支持與PDM系統(tǒng)的對接集成。
系統(tǒng)快速非編程定制技術(shù)可以支持動力傳動輔助系統(tǒng)各專業(yè)設(shè)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(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中實現(xiàn)動力傳動輔助系統(tǒng)設(shè)計仿真流程、工具及其使用方法、設(shè)計仿真規(guī)范、設(shè)計仿真經(jīng)驗參數(shù)和參考模型等內(nèi)容的定制拓展和優(yōu)化。其主要能力體現(xiàn)在下述幾個方面:
(1)應(yīng)用程序封裝庫。提供對設(shè)計/仿真工具軟件進行非編程封裝和集成的能力。
(2)設(shè)計/仿真流程模板庫。提供將經(jīng)過規(guī)劃或試算形成的設(shè)計/仿真流程保存為流程模板的能力。
(3)多學(xué)科關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品對象類型庫。提供對參數(shù)級的產(chǎn)品數(shù)字化抽象模型(包括特性參數(shù))進行非編程定制的能力。
(4)與各類設(shè)計數(shù)據(jù)文件的雙向數(shù)據(jù)交換定制工具。提供文件解析/重構(gòu)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(tǒng)能夠與各類設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)文件進行雙向數(shù)據(jù)交換。
(5)基于規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)/經(jīng)驗數(shù)據(jù)和參考模型庫。提供對產(chǎn)品設(shè)計仿真規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)/經(jīng)驗數(shù)據(jù)和參考模型進行整合、關(guān)聯(lián)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(fā)能力要素的定制并建立各類要素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的能力。
動力傳動輔助系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計系統(tǒng),可以有效促進動力傳動輔助系統(tǒng)各專業(yè)、各學(xué)科的知識積累和傳承,集成各種現(xiàn)有設(shè)計仿真工具軟件和將要開發(fā)的專用設(shè)計工具程序,支持動力傳動輔助系統(tǒng)跨專業(yè)、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計和仿真,有效管理設(shè)計迭代過程中生成的各種設(shè)計仿真數(shù)據(jù),提高設(shè)計協(xié)作效率,大幅度減少在協(xié)作方面的低級勞動,最終達(dá)到提升方案快速設(shè)計能力、降低技術(shù)風(fēng)險、減少研制成本的目的,并促進動力傳動輔助系統(tǒng)性能的提升,以滿足新一代作戰(zhàn)車輛的發(fā)展需求。