多学科协同设计仿真工具研究

汪志华

摘要：研究了数字化协同设计平台和多学科仿真数据管理平台，数字化协同设计平台实现复杂项目管理、任务管理、流程管理和数据管理，多学科仿真数据管理平台实现仿真数据管理、仿真流程管理和知识库管理，确保多层次多专业协同仿真数据的一致性、完整性、及时性和可控性，探索了综合集成协同设计仿真的方案，为设计仿真人员学习多学科协同设计仿真提供参考。

关键词：数字化设计；多学科仿真；设计仿真工具

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）13-60-2

Research on Multidisciplinary Collaborative Design Simulation Tools

WANG Zhihua（Information Science Academy of CETC， Beijing 100086， China）

0引言

20世纪90年代末，Balling和Sobieski设计了MDO模型[1]，掀起了MDO研究热潮，并且理论研究不断向工程应用转化。在理论研究方面，司徒渝研究了多学科设计建模等关键技术并设计了流程图[2]，王平等在车身结构设计中应用了多学科协同设计[3]，聂勇军等利用多学科优化理论建立机械、液压及电控等多学科优化模型[4]。多学科协同设计技术已取得重要突破，并在实践中得到大量应用，相应的软件支撑和工具已被人们开发出来，在许多行业可以得到大量应用。

1数字化协同设计平台

数字化协同设计平台是基于高效协同设计架构，利用数字化技术将原来分散的多专业学科、多部门、多设计阶段的研发过程整合为统一设计体系，为复杂产品的协同设计提供管控支撑平台。数字化协同设计平台以“协同设计”为核心，综合集成相关软件工具、方法、规范、知识和数据等多方面内容，为设计人员提供综合集成设计工作环境，使设计人员能够快速完成设计任务。平台建立贯穿多个研发阶段、多专业部门、多学科领域的协同设计研发流程，控制产品研发的业务过程、数据关联和设计数据版本。同时，以各工具软件为设计分析手段，以工程数据库为设计支撑，以流程管理为过程控制机制，平台实现多专业设计分析的协调，从而达到复杂产品的快速协同设计。

数字化协同设计平台的主要功能有：①复杂项目管理：组织、管理、规划和控制型号、产品性能、工作过程、时间进度及资源分配等任务；②任务管理：提供规划、管理产品设计性能参数匹配关系、任务子流程，执行设计过程，控制、检查及审核版本数据；③设计流程管理：提供组织、定义、管理、控制设计工序任务先后顺序、逻辑关系、启动激活条件、过程状态及数据组织等手段；④设计数据管理：统一存储、组织、查找、访问各类设计数据，实现设计数据的版本追溯和对比，并生成直观的版本数据谱系图，进而形成设计过程知识库；⑤协同工程环境：提供统一的组织、处理、执行、定义、管理设计工程项目环境和产品性能数据，涵盖所有设计数据和信息；⑥设计系统管理，提供系统初始化、机构人员角色设置、创建动态门户、日志管理、人员权限分配及密级等级设置等功能。

2多学科协同仿真数据管理平台

多学科协同仿真数据管理平台作为协同仿真的核心部分，以复杂组合项目的仿真数据为基础，为多层级、多专业、多学科协同仿真提供数据管理，可支撑仿真数据完整性、一致性和可控性验证，通过与协同创新平台集成，能够将仿真操作融入到设计行为中。多学科协同仿真数据管理平台能够在多层次多专业协同仿真时确保数据的一致性、完整性、及时性和可控性，对不同仿真手段产生的数据进行类比分析，在精细化仿真模型方案迭代时验证数据的一致性、完整性、及时性和可控性，能够对仿真操作中多场耦合仿真技术的成熟度进行管控。多学科协同仿真数据管理平台主要由应用层、基础层和数据层3层架构组成，如图1所示。

应用层向用户展示各种可用功能，包括仿真数据管理、仿真流程管理及知识库管理等功能模块，可根据用户需要进行调整；基础层为应用层提供底层支撑，一般由内容管理、注册和执行、权限控制等构成；数据层是实现各种数据管理的场所，存储的数据对象包括结构化和非结构化的数据，下面主要对应用层进行描述。

（1）仿真数据管理对设计模型、网格模型、仿真模型、计算结果、文本数据、图片、仿真报告、仿真任务数据、仿真需求及技术规格等数据按照不同类型进行分类管理，提供数据导入导出、关键字检索、数据对比、数据版本管理、角色管理及可视化显示等数据维护功能。

（2）仿真流程管理包括分析任务同步、分析任务审核和分析任务查看等功能。①分析任务同步就是与协同设计创新平台的仿真任务同步，接收仿真需求，生成仿真任务并按照规定流程步骤执行，在处理仿真数据时可根据需要修改分析任务的状态和各子步骤的状态。②分析任务审核对仿真结果自动生成仿真报告，提供审阅接口，将仿真报告与仿真关键结果值进行关联，甚至可以同步到协同设计创新平台，审阅通过后形成批准文档进行数据归档。③分析任务查看可以查看所有任务的状态总表，以掌握任务的执行情况，查看方式包括树状图等多种形式，仿真人员可以根据自己的喜好进行选择。

（3）知识库管理包括知识库数据导航、知识数据操作和流程模板3部分。①知识库数据导航就是在平台内建立业务插件库、报告库、模型库和技术规范库等知识分类库，以独立的业务对象存储在数据库中。②知识数据操作包括文档和模型的发布、编辑、升级及删除等功能，同时可以对文档和模型的属性进行自定义，必要时还可对数据进行提升，为不同用户提供共享。③流程模板定义流程框架，可以扩展通用仿真分析模板和专业仿真分析模板两类，包括设计模型、仿真模型、仿真结果、仿真报告等的发布以及启动工具软件等操作组合，可通过配置界面实现每个模板仿真步骤的执行顺序可调。

3综合集成

多学科协同仿真数据管理平台和数字化协同设计平台需要综合集成，共同完成多学科协同设计和仿真，从而辅助设计人员设计出满足用户需求的复杂产品。设计人员在数字化协同设计平台上以仿真任务工作包的方式发布仿真需求，并通过数据同步接口将仿真任务工作包发布到多学科协同仿真数据管理平台内，并由仿真平台自动创建仿真任务活动。仿真报告和仿真关键结果等信息作为当前仿真任务工作包的交付物发布到数字化协同设计平台，以便设计人员进行设计目标和仿真结果的对比。

4结束语

通过深入分析比较，在此归纳总结了数字化协同设计平台和多学科协同仿真数据管理平台的主要功能和构成，以及相互配合协同发挥设计仿真的作用，能够为设计人员了解掌握多学科设计仿真工具提供较好的参考。

参考文献

[1] Tappeta R V，Renaud J E.Multi-objective Collaborative Optimization[J].Journal of Mechanical Design，1997，119（3）： 403-411.

[2]司徒渝.多學科协同与设计优化关键技术研究[J].机电工程技术，2008，37（2）：16-17.

[3]王平，郑松林，吴光强.基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计[J].机械工程学报，2011，47（2）：102-108.

[4]聂勇军，魏世民.多学科优化设计技术及其创新[J].机电产品开发与创新，2011，24（1）：4-8.