数字化设计技术导论

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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2.1 数字化设计技术解构
数字化设计简述 “数字化”是信息时代社会化的技术特征，信息时代的现代 设计即数字化设计。 （1）综合性 它是面向需求、综合应用基础学科发展成果的 工程技术方法学 ——“万金油”专业 （2）多样性 不同行业、不同领域产品需求、功能的差异性。 （3）协同学 现代复杂产品开发往往是通过团队协作完成的， 协同性成为当今数字化设计研究的重要课题 （4）集成性 机电产品是由多领域（如机、电、液、控、热 等领域）物理功能部件的组合而成的，即模型集成。 建模： 几何（结构）建模——二维绘图 功能建模——三维实体造型 ——计算机辅助设计
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《学科（专业）概论》
第二讲 数字化设计技术导论
主讲人 陈立平
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制造业竞争力的关键在于创新，设计是创新的灵 魂，先进的设计理论、方法和手段是发展我国先进制 造技术的关键。 我国制造业的处于弱势地位
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2.1 数字化设计技术解构
IT技术的发展对数字化设计技术影响 工程技术是多学科综合技术，有明显的时代性，数字化设计是 以计算机为载体、以IT应用为表现形式的关于工程设计的技术。 计算机技术的发展可以用4I概括： 20世纪50至60年代：交互（interactive）——交互式设计 20世纪60至70年代：智能（intelligence）——智能设计 20世纪70至80年代：集成（integration）——集成设计、计算机 集成制造系统 之后：互联网（internet）——基于互联网的协同设计 IT技术在经历了PC时代、Windows时代、Internet时代后， 已步人嵌人式时代，甚至物联网时代—所谓软件无处不在，芯片无 处不在，软、硬件高度集成的时代。 AutoDesk公司的AutoCAD的发展历程： 20世纪80年代初：集成化、智能化设计需求驱动下，AutoCAD较 早嵌入曾经被誉为人工智能语言的LISP，形成宿主语言AutoLISP。
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2.1 数字化设计技术解构
产品集成协同开发的解构 （1）集成和协同 1）虽然集成与协同经常伴生出现，但它们是不同的两个概念。集 成是一种客 观存在，与人元关。 2）集成是可分解的，如子系统、子模块、零部件等。 3）集成是工程领域的基本方法，并非源于信息技术。 4）复杂产品是由不同功能元（部）器件组合而成的，而产品是模 型集成。 5）模型集成不等于信息集成，模型的内涵和表现形式均高于信息。 6）模型集成的科学依据是广义基尔霍夫第一、第二定理。 7 ）协同有动态和静态两个属性。“协”刻画其动态特性，即团队、 群体间的协 作；“同”描述其静态属性，“同”即是一种约定、协议或 标准，如互联网TCP/IP 协议，机械工程中的各类互换标准等。
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20世纪50年代以来，计算机技术的迅速发展，为工程设计、分 析和优化技术带来了全面的变革。 20世纪90年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的计 算机辅助设计工具CAX软件在工业界得到广泛普及，产生了巨大的 经济效益和社会效益，“数字化”作为显著的时代技术特征初露端倪。 20世纪90年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于多 体系统(multibody system)的复杂机械产品系统动态设计、基于多 学科协同(multi-disciplines colaberative)集成框架的优化设计、基 于本构融合的多领域物理建模(multi-domain physical modeling) 及可重用机、电、液、控数字化功能样机的分析、研究与开发，并 逐步形成新一代技术和平台工具。在设计管理方面，形成产品全生 命周期管理(PLM)技术。
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数字化设计简述 功能建模——建立能表达对象功能、性能的 模型，如位移、速度、加速度，力、应力、 应变，流量、压力，电流、电压等特性参数 实质是将对象的物理特性映射为数学问题：
一组数学方程，分析与仿真的内核即是方程的求解。 大规模、稳健、快速的数学求解是数字化设计基础关键的共性 技术。 设计的最终目的是优化，建模、分析是优化设计的基础 数字化设计发展：参数优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化。 数字化设计技术是现代设计学的使能技术，是工程设计学、应 用数学、软件技术和信息科学等多学科交叉融合的产物。它必定要 承载现代设计学的理念、方法，通过数学过程，以软件为存在形式， 面向广泛应用，提升设计的自动化、集成化和智能化的能力和水平。
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人工智能与数字化设计 过程式表达语言在相当长的时期内占据了计算机程序语言的主 导地位。被认为更接近智能技术，因而陈述式表达和过程式表达成 为考量一个系 统是否更灵巧的基本度量。 人工智能研究的观点，设计问题本质上是一个约束满足问题 （ CSP, constraint satisfaction problem ），即给定功能、结 构、材料及制造等方面的约束描述， 求设计对象的细节，引入人工 智能新技术是不断地提高数字化、设计的自动化 与智能化水平的重 要技术手段。 CAD 原意为计算机辅助设计（ computer aided-design ）， 由于 CAD 技术是以计算机辅 助二维绘图、三维造型工具在工业界 得到普及的， CAD 软件的设计属性被淡化，而更多地被定义为计 算机辅助绘图 (computer aided drafting ）。
（1）产品设计以逆向设计为主，创新设计能力弱于制造能力。 （2）整机设计能力弱于零部件设计能力。 （3）复杂机电产品设计能力弱于单纯机械产品设计能力。 （4）缺乏系统的先进设计理论、方法和相关技术支撑，多“形 似”、少“神似”。 （5）产品开发以传统常规设计方法为主，缺乏鲁棒性设计、优 化设计手段。 （6）缺乏数据、经验、知识的积累和重用，需要相应的技术支 撑平台。
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产品集成协同开发的解构 进程域 ——由进程环境、进程硬件、进程模式构 成，其活动的主体是信息技术 领域的专家。
产品集成协同开发的七个方面 a）集成〈对象域〉 以领域专家为主，面向行业需求实现各专业知 识的积累、共 享和重用，几何模型与知识模型的融合，知识模型的 数学映射。 b）集成〈方法，工具〉 以基础科学（如数学）专家为主，以 IT 为手段，实现基础 理论工具化；面向工程应用，实现工具间数据集 成。 c）进程协同集成 以系统动力学为基础，以 IT 技术为手段，面向 企业及企业 间，实现各类业务过程（进程）的有效协同与集成。 d）集成〈知识，工具〉 着重解决在通用工具平台中嵌入知识的问 题，使工具更 加智能化，知识自动生成专业工具。 e）集成〈工具，进程〉 基于数据库和工作流等技术，将工具及其 数据集成应 用，如产品 数据管理技术等。
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21世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线是多 学科、多领域的融合与渗透是，M3P已成为当前技术 研究、开发和应用的时代特征。 日趋复杂的现代机电产品广泛涉及航空航天、机 电制造、能源和交通等重要行业，通常是集机械、电 子、液压、控制等多领域物理子系统于一体的复杂大 系统，多领域物理藕合和连续一离散混合的特性是其 本构描述的基本特征。因此，复杂机电产品的创新从 理论、方法和技术工具三个层面对设计。
对象域 ——由对象知识、对象数学、 对象几何构成，其活动的主体是工程领 域 专家和技术专业人员，面向需求， 与工程行业领域相关。 方法域 ——由建模、分析、评价构成， 其活动的主体是基础学科的专家，其工 作的主要目标是为工程问题提供基础的、 共性的理论、方法和于段。
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产品集成协同开发的解构 （2）产品集成协同开发的组成与机理 北方交通大学查建中教授提出的 3V 设计空间描述方法 1）产品开发的三维空间 产品开发可用以设计对象、设计方法、设计进程构成的三维 空间来表述，三个坐标轴均嵌入一个子空间——域，分别为对象域、 方法域、进程域。
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2.1 数字化设计技术解构
产品集成协同开发的解构 f）集成〈知识，进程〉 如何在企业乃至企业间产品研发的过程中 有效地发现 知识、共享知识、重用知识以及管理知识，是知识工程 关键的使能技术，是理论探索的 重要课题。 g）集成〈知识，工具、进程〉 终极目标，物联网时代需要全面审 视研究域间的 协同集成。 2 ）对象域 对象域直接与工程应用相关，是数字化设计技术体系的重要组 成部分。知识及知识处理（知识发现、知识表达、知识共享、知识 重用等）是对象域的主要研究内容。
对象几何：对象几何以实体的几何表达 NURBS 和几何布尔运 算为标志。 对象数学：科学研究的模式大致为发现问题，弄清机理， 通过建立一套简捷的符号形式——数学描述，再现机理。 14
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人工智能与数字化设计 人工智能（AI）是软件技术发展的理论基础，人工智能力图通 过符号计算，实现陈述式描述的人工系统（包括问题、约束、规则 等）的自动演绎、推理和求解。 人工智能系统技术特点：陈述式、自适应、自组织、自学习。 对于人 工生命，还应当包括自复制，比如病毒程序。 陈述式（ declarative) 机制和过程式（ procedural) 机制是 两类相对应的表达机制。前者仅描述事实和规则， 元关计算机的执 行序列，强调基于客观事实的自动推理求解；后者则相反，依藏算 法 式的规程实现问题的求解，其实质是计算机执行指令集。 陈述式的理论基础为一阶 逻辑谓词（ LISP 、Prolog ）和约 束满足问题（ VHDL -AMS 、Modelica ）。 20 世纪 70 至 80 年代，人工智能研究以通 用问题求解器 （ GPS,general problem solver ）为命题，开展了大量理论和 应用研究， 许多领域专家系统（ ES, expert system ）都是以逻 辑谓词语言为宿主语言，其派生的技术成果得软件更加智能化。
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2.1 数字化设计技术解构
IT技术的发展对数字化设计技术影响 20世纪80年代末：引人以C语言为宿主语言的二次开发技术ADS， 进一步提升了平台的开放性，工程领域专业人员采用ADS技术，开 发了大量的专业应用，成为支持二维应用的通用平台。 20世纪90年代初：采用面向对象技术重构了平台架构，以C++为宿 主语言，推出面向对象运行时开发技术ObjectARX（object AutoCAD runtime extension），成为具有良好开放性和集成性成 为功能强大的通用软件平台。 “资源可重用、系统可重构”是嵌入式时代IT技术的重要理念标 签， 展开了具有时代特征的新技术研究与应用： 面向服务（业务、 模型）的架构， SOA（services oriented architecture）、模型 驱动的设计（MDD）、模型驱动的代码自动生成技术。 在嵌人式时代，机电产品的系统复杂性进一步提高，表现为 机、电、液、控等多领域的高度集成与融合。