虚拟产品开发设计、分析一体化管理平台

对虚拟产品开发设计、分析一体化管理平台的理解

关键字: 虚拟产品开发管理平台

1.行业现状和发展趋势

目前国内外经多年对CAX等技术的广泛应用，取得了显著的效果，对进一步的发展方向亦达成了相对明确和一致的共识。

就现状而言，基本具有如下三个方面：

·以PLM（产品生命周期管理）战略管理整个产品生命周期

·对应用CAD的设计过程和数据的PDM管理系统已相对成熟

·对单点的彷真分析技术的掌握已达到一定深度和成熟度

就发展趋势而言，有如下六个方面的需求：

·集成对以信息孤岛形式存在的各系统、工具、数据等进行集成

·可管理的仿真流程定义好的；规范化的；可重复的；可跟踪的等

·知识捕获和再利用专家知识的积累和保有；未来项目的借鉴,设计早期的应用

·所有仿真数据的简易访问数据结构良好,可追溯；院,所级,企业级访问

·协同研发

*设计分析的协同

*多学科联合仿真

*跨部门，跨地区的协同

*和供应商的协同

·Robust design (设计变量; DOE,MDO,系统化的比较; 模拟分析vs试验)

目前，各种针对上述需求而提出的平台方案，如雨后春笋般不断出现，大有乱花渐欲迷人眼之势，本文旨在概述虚拟产品开发的过程、平台的架构、关键技术点和实施等方面之关键点，以期对大家的工作有一定的帮助和借鉴。就虚拟产品开发设计、分析一体化管理平台，其关键词简而言之，就是一个V字型，3个F和BTRI。

2.虚拟产品开发的过程- V字型

虚拟产品开发（VPD，Virtual Production Development）平台框架是一个支持自上而下设计，自下而上综合验证过程的V字型系统。具体过程如下：总体（概念）方案设计完成并经过仿真分析后将技术要求和指标规范下达给子系统、零组件；零组件根据总体设计的技术指标和要求开展子系统、零组件的方案设计；每部分的子系统、零组件方案设计仿真分析优化后，总体设计汇同各子系统、零组件方案设计人员将各部分设计模型组装在一起，形成功能虚拟样机，进行联合仿真，验证舵机整体性能。满足要求后，开展各子系统、零部件的详细工程设计。如图一和图二所示：

图一V字型产品研制流程示意-1

图二V字型产品研制流程示意-2

3.虚拟产品开发的内容-3个F

虚拟产品开发从阶段上看分为概念设计（总体设计）阶段和详细设计阶段，无论是概念设计（或称为总体、系统级设计阶段）还是详细设计阶段均包括三个方面之内容：1.构型（Form）、2.虚拟装配、干涉检查和结构布局（Fit，又称为数字化虚拟样机，即DMU），和3.功能或性能样机（Function Prototyping）三部分,简称3F。见图三所示：

图三虚拟产品开发的3F

4.虚拟产品开发的设计分析一体化集成架构

4.1虚拟产品开发设计分析一体化平台通用集成架构

其中,构型（Form）可以采用2维和3维CAD工具，如CATIA、UG和PROE等，以及专家经验（知识库）和专业部件库；虚拟装配、干涉分析和结构布局（Fit，又称为数字化虚拟样机，即DMU），如可以采用各CAD供应商提供的工具，进行诸如虚拟装配、运动干涉检查、公差分析、尺寸链计算、布局等设计工作，且1和2均整合在PDM系统之下，成为设计数据和流程的管理平台，实现基于过程的多学科设计技术；.功能或性能样机（Function Prototyping）可采用MSC.SimManager做为功能样机的管理平台，实现多学科仿真分析平台管理技术，且通过其特有的EAI（企业应用集成）方式，实现与PDM系统的无缝连接和紧密集成，从而达到设计和分析的协同，实现多学科设计、仿真分析的一体化协同平台技术。同时，在虚拟产品开发框架下，物理样机的试验只是起验证的作用，大部分已可用功能样机进行虚拟试验仿真所代替。这些起验证作用的物理样机试验可以用TDM（试验管理平台）加以管理，且SimManager也可以通过EAI（企业应用集成）的方式和其进行无缝连接和紧密集成。见图四所示：

图四基于PLM的产品设计、仿真一体化研发平台架构

如图四所示的虚拟开发平台环境，由两个通过EAI无逢连接的系统平台构成，一为管理设计流程和数据的PDM系统（Form及Fit），一为管理仿真流程和数据的SimManager系统（Function），两个系统平台之间通过EAI的方式无缝连接，形成一此基于PLM的产品综合设计/分析一体化框架环境。在此框架下，SimManager仿真流程和数据管理这一功能样机平台的分析模型数据，通过EAI的方式与PDM系统中的几何CAD模型、配置和组套关系及其相应的版本号完全保证一致；且不仅是系统级的模型如此，子系统和零组件仿真分析的模型与PDM系统中的CAD模型、配制、组套关系亦如此保持一致，见图五所示：

图五PDM数据和SimManager数据的关系

不仅如此，因为SimManager这一仿真流程和数据管理这一功能样机平台的数据和PDM系统的数据一样是基于关系型数据库存贮和管理的，实现基于谱系关系的数据关系自动记录和生成及任一步的前后追溯和复杂的数据查询，其数据的谱系关系是在运行仿真流程时自动建立、存贮和管理起来的，无须人工手动

建立，如图六所示：

图六PDM数据和SimManager数据的关系-谱系追踪

上述虚拟开发框架满足支持自上而下设计、自下而上综合验证的产品要求，在总体设计阶段和详细设计阶段都有大量的设计参数变化、产品状态变化、材料参数变化、载荷边界条件的变化等等。凡此总总，需要进行大量的"What-If"分析和多学科平衡和优化。所有这些都以定制好的内嵌最佳实践的流程加以实现，且于流程相关的数据保留在SimManager的关系型数据库中，经数据挖掘、总结、抽取和PLM下的知识定义技术、管理技术，形成一数字化工程研发的基于数据库的知识库，在后续产品研制中可直接得到利用，以提高设计质量。如图七所示：

图七基于SimManager的功能化样机知识库

基于此虚拟样机、DMU和功能化样机知识库的长期积累、挖掘和总结，可以实现根据设计过程的流程与要求，为系统、子系统和零组件设计提供具体的设计导向，使设计人员能快速高效地完成设计工作。这些导向规则有系统类型选型的工程经验，系统、子系统和零组件的设计指标分配、设计原则及组件件的选用原则、各类经验计算公式、各种非线性参数的估算、载荷及边界条件的确定、系统控制参数的调整方法等。例如，SimManager的功能化样机知识库就可以实现如下功能：在给定的一系列设计参数、几何配置、边界条件、载荷，及要求其性能指标在某一定值或范围之内，此功能化样机知识库就可以给出一满足上述输入和限制条件下的历史数据库中与之相近的设计，包括目标CAD形状，FEM和其相应的性能。其后，可以根据此相近的FEM模型，进行Morphen等基于FE模型的快速多方案对比，TS分析及优化，快速、方便且业经验证的给出应选用的材料和线架CAD模型，然后在此基础上快速、高效地做新的从总体到详细的设计，最终确定新设计。同时，此过程可内嵌企业的标准和规范等。

4.2 基于SimManager/PDM的设计分析一体化虚拟产品开发管理平台架构

基于SimManager/PDM的设计分析一体化虚拟产品开发管理平台的架构如图八：

图八基于SimManager&PDM的设计分析一体化虚拟产品开发管理平台-架构

此平台为以虚拟产品开发为主轴，以B/S为架构，实现从总体设计到零组件设计这一V字形思想所相关的设计和分析一体化集成框架环境，通过EAI（企业应用集成）的方式，无缝连接用于管理Form和Fit的PDM平台系统和用于管理Function的SimManager平台系统。此平台可以实现在应用封装各种应用软件的基础上，定制流程，自动化实现流程，同时管理与流程相关的人员，并进行监控。

在Function中，最重要就是BTRI四个字，即Build(构建性能模型)，Test(分析测试，可以以虚拟仿真的方式，和物理试验的方式，或是两者的结合)，Review（评审，跨部门，跨地区、跨学科的联合快速评审，Improve（持续改进，包括，对工况自动对比，DOE，稳健性分析和多学科优化等，目的是达到6-Sixma 设计。

通过SimManager这一平台，可以以门户的方式，实现快速的大量的对子系统功能模型的组装，高效、快速和一致性地进行系统级的多学科联合仿真，及分析与试验的相关性分析等，其后可以跨学科、跨部门、跨地域的协同考量系统级的性能是否可以得到满足，及各子系统、零组件性能指标是否合理。在此基础上，不断进行持续改进，如TS、DOE、ROBUST和MDO等分析，达到6-Sixma设计。

5.构建虚拟产品开发的设计分析一体化管理平台的目的·实现协同研发

*设计和分析的协同，实现分析驱动设计

*分析的多学科联合仿真

*跨地域、跨部门的协同

·统一仿真数据管理

*基于关系型数据库的管理

*仿真数据自动存贮在关系型数据库中

*实现仿真数据的谱系追踪功能

*支持复杂的数据搜索

*可实现数据挖掘

*支持企业级、中心级的数据访问

·分析流程的的管理

*分析流程的标准化、规范化

*分析流程的自动化

·集成

*在PLM框架下集成各个以孤岛形式存在的系统、学科、工具、数据和流程

·形成一支持创新研发的知识库

总体来说，此平台应实现设计、分析在方案、总体和详细等设计阶段，从总体设计、分析到各子系统分析、设计的协同；多学科联合仿真；实现跨地域、跨部门之间的协同；形成一支持创新研发的知识库；以过程为中心，实现对数据、流程和人员的管理

6. 虚拟产品开发的设计分析一体化管理平台平台应具备的关键特点和要求

·对软件架构的要求，为实现上述平台构建之目的，则支撑此平台的软件架构应具备如下特点：

*基于Web访问的系统，B/S 架构

*和PDM系统具有无缝连接，形成一设计分析一体化平台框架

*多学科联合仿真

*数据管理－数据自动存储在关系型数据库中、数据继承关系的追踪、搜索查询

*基于项目树，流程图的流程管理

*流程集成和规范化，内嵌最佳工业实践

*快速多方案、多工况对比能力；DOE，MDO，Robust Desing

*快速配置与客户化

*报告自动生成

*项目管理

*知识库的积累和利用

·对实施能力的要求

众所周知，此平台无论采用何种软件为框架，都需要一定量的或者说是大量的客户化的实施工作。有鉴与此，对供应商实施能力的要求是怎么强调也不过分的。对实施能力的要求有如下方面：

*是否有对软件架构底层等进行调整等的研发能力

*是否有国内的专业的和专注的团队

*是否有国内外平台软件的实施经验

*是否有国际化团队为背景依托

其中，1是指当客户需要对软件架构底层等进行调整，而不仅仅是一般层面的客户化和实施时，供应商实施团队的快速响应和实际解决的能力。这要求，供应商要在中国有相应产品的研发中心和团队才能加以

解决。就2 而言，因为此平台是复合设计、分析为一体的涵盖CAE技术背景和IT背景为一身的，这就要求供应商的实施团队也要具备相应的背景和经验。就3而言，当然是实施经验越多越好，同时也要注意，供应商实施过的平台项目，是真正的行业里的企业级的项目及其相关流程，还是似是而非的只是大企业里的相关企业级平台所涉及的一个很局限的子流程的自动化和优化而已。就4而言，因为坦率而言，毕竟我国与国外还是有一定的差距，有国际化背景为依托的供应商的实施团队，可或多或少的带给客户一定的启发，对客户有一定的借鉴意义。

·对软件供应商的要求

平台的实施不是一天两天的事，要综合考虑软件供应商之方方面面的问题。总的来说，对软件供应商的要求有如下方面：

*是原厂商还是代理

*供应商的历史和行业位置

*供应商在国内机构的历史和地位

*供应商的近况和发展前景