基于傳統(tǒng)裝備制造業(yè)的分布式數(shù)字化設計平臺研究與實現(xiàn)

畢啟亮，王紹興

（1.天津機電職業(yè)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(shù)字化發(fā)展，建設數(shù)字中國”已成為“十四五”規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要重要的內容。很多發(fā)達城市先后出臺了數(shù)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(shù)字化的價值，包括提升業(yè)務韌性、促進效率提升和可持續(xù)發(fā)展等[1]，雙碳目標則進一步加速了數(shù)字化轉型的步伐?？梢灶A見的是，“十四五”將成為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的爆發(fā)期，數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化正成為大勢所趨。

與傳統(tǒng)的串行設計模式不同，數(shù)字化技術環(huán)境中，設計人員以數(shù)字化模型為載體，多人協(xié)作，能夠同步、交叉進行設計[2]，實現(xiàn)產(chǎn)品快速設計，降低企業(yè)開發(fā)成本。對用戶需求能否給予即時響應，決定了企業(yè)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(yè)務活動并非能由任何一家企業(yè)獨立完成。現(xiàn)代商業(yè)環(huán)境是實體之間相互依賴形成的網(wǎng)絡，他們相互連接以創(chuàng)建和獲取價值[3]。

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

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

1 數(shù)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(yè)已有的基型產(chǎn)品，研究產(chǎn)品的設計、計算、仿真分析的數(shù)字化集成平臺技術。

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

基礎支撐子系統(tǒng)負責與商業(yè)設計軟件、分析軟件、工程制圖軟件進行數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)操作控制，是平臺與商業(yè)軟件交互的接口；平臺管理子系統(tǒng)作為交互窗口，負責監(jiān)控、協(xié)調平臺各模塊的工作狀態(tài)；設計計算子系統(tǒng)與仿真分析子系統(tǒng)作為核心子系統(tǒng)，執(zhí)行產(chǎn)品優(yōu)化設計與仿真分析全過程；圖紙優(yōu)化子系統(tǒng)執(zhí)行圖紙優(yōu)化配置計算并返回圖紙優(yōu)化計算數(shù)據(jù)。

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

圖1 數(shù)字化設計平臺功能主題域劃分

2 平臺關鍵業(yè)務功能模型分析

2.1 平臺管理功能

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

平臺數(shù)據(jù)管理有產(chǎn)品結構管理、設計規(guī)則管理、參數(shù)數(shù)據(jù)管理等。產(chǎn)品結構是設計平臺的核心[8]，是產(chǎn)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(chǎn)品設計過程中的模型文檔、數(shù)據(jù)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(tǒng)是數(shù)字化設計平臺的關鍵核心子系統(tǒng)之一，負責對產(chǎn)品結構的參數(shù)化設計[9-10]提供支撐，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速優(yōu)化設計計算功能。

產(chǎn)品設計過程主要分為3 類：整機優(yōu)化設計、結構件優(yōu)化設計、打開已有產(chǎn)品整機設計。

整機優(yōu)化設計功能是對產(chǎn)品整機的外形、結構進行初設計及優(yōu)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(jù)基型模板自動調用相對應的產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)。整機優(yōu)化設計的總體業(yè)務流程如圖2 所示。

圖2 整機優(yōu)化設計總體業(yè)務流程

結構件優(yōu)化設計是針對產(chǎn)品的組成關鍵結構件進行參數(shù)設計計算，設計人員基于產(chǎn)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(jù)設計流程查詢零件的初始數(shù)據(jù)和對應的零件文檔，設計人員對該零件進行參數(shù)設計、校核計算、有限元分析及圖紙優(yōu)化配置等功能。

在設計計算子系統(tǒng)各業(yè)務流程中，設計用戶通過平臺管理子系統(tǒng)選擇設計模式類型，進入不同的設計流程，平臺管理子系統(tǒng)負責與用戶交互，同時與設計計算子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，設計計算子系統(tǒng)承載設計過程的實際應用?；A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(shù)據(jù)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(tǒng)基礎模塊負責維護與調用具體設計流程，參數(shù)化設計模塊負責細節(jié)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(tǒng)該負責模型與參數(shù)的應用。

2.3 仿真分析功能

仿真分析子系統(tǒng)負責對產(chǎn)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(tǒng)與該子系統(tǒng)進行交互，提取仿真流程、仿真模板、分析算法，執(zhí)行產(chǎn)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(tǒng)各業(yè)務流程中，設計用戶可以通過平臺管理子系統(tǒng)選擇仿真模式類型，進入不同的仿真流程。仿真分析子系統(tǒng)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(yè)務流程如圖3 所示。

圖3 整機運動仿真分析業(yè)務流程

2.4 圖紙配置功能

圖紙優(yōu)化子系統(tǒng)負責優(yōu)化配置輸出產(chǎn)品工程圖紙，包括圖紙參數(shù)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(yōu)化模式類型，進入不同的優(yōu)化流程。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)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(yè)務邏輯層、基礎業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、文檔訪問層、系統(tǒng)集成層。用戶交互層提供用戶交互頁面，核心業(yè)務邏輯層提供產(chǎn)品設計、仿真、圖紙優(yōu)化的業(yè)務邏輯計算流程功能調用，基礎業(yè)務邏輯層提供平臺基礎管理功能調用，數(shù)據(jù)訪問層提供數(shù)據(jù)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(tǒng)集成層負責封裝與外部系統(tǒng)交互接口。系統(tǒng)邏輯架構如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化設計平臺系統(tǒng)邏輯架構示意圖

為保證平臺的穩(wěn)定性、復用性、擴展性和獨立性，平臺有區(qū)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(tǒng)，采用Visual Studio 程序平臺，集成SolidWorks、eDrawings、ANSYS、AutoCAD、Office、Matlab 等軟件，應用SQLite 數(shù)據(jù)庫及C++語言開發(fā)完成分布式數(shù)字化設計平臺，實現(xiàn)減速器快速設計、仿真集成、圖紙優(yōu)化輸出以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能。

設計計算子系統(tǒng)集成開發(fā)：減速器整機參數(shù)設計如圖5 所示，減速器輸出盤參數(shù)設計如圖6 所示。

圖5 減速器整機參數(shù)設計

圖6 減速器輸出盤參數(shù)設計

仿真分析子系統(tǒng)集成開發(fā)：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(yōu)化子系統(tǒng)開發(fā)：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(tǒng)開發(fā)：減速器針齒殼產(chǎn)品結構設計規(guī)則管理如圖10 所示。

圖10 減速器針齒殼產(chǎn)品結構設計規(guī)則管理

樣機3D 打?。航?jīng)過文中數(shù)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(tǒng)裝備制造業(yè)在數(shù)字化轉型過程中的需求出發(fā)，構建了分布式數(shù)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(yè)信息化進程。

通過分布式集成平臺建設，為行業(yè)內企業(yè)進行協(xié)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(huán)境，實現(xiàn)了快速產(chǎn)品設計，結合3D 打印技術，縮短了產(chǎn)品設計制造周期，提高了企業(yè)的市場反應能力，降低了企業(yè)設計成本。

文章研究成果將支持傳統(tǒng)裝備制造業(yè)加快步入新型的數(shù)字化工作模式，支持企業(yè)的網(wǎng)絡化、分布式、數(shù)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(yè)中進行推廣應用。