基于虚拟样机的产品设计进程反馈模型

第43卷 第3期2008年6月 西 南 交 通 大 学 学 报J OURNAL OF SOUTHW EST JI A OTONG UN I VERSI T YV o.l 43 N o .3Jun .2008收稿日期:2007 09 18基金项目:国家自然科学杰出青年基金资助项目(50525518);国家973项目(2007CB714701)作者简介:丁国富(1972-),男,教授,博士博士生导师,主要研究方向为虚拟样机/虚拟制造,先进制造技术,数控加工、仿真及自动化等,电话:028 ********,E m ai:l d i ngguof u@文章编号:0258 2724(2008)03 0367 05基于虚拟样机的产品设计进程反馈模型丁国富1, 何 邕1, 邹益胜1, 王 珏2, 张卫华3(1.西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;2.西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;3.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)摘 要:为了加快产品设计进程朝设计目标收敛,提出了产品设计进程反馈模型,包括产品描述语义模型、分析视图语义模型和性能仿真语义模型,并将其融合在设计中.整个反馈模型是基于建立在CAD 环境下的数字化样机模型,因此保证了产品设计目标的整体性和设计进程的一致性.以多体系统意义下机车车辆虚拟样机为例,给出了产品描述语义模型、分析视图语义模型和性能仿真语义模型的具体形式,以验证该反馈模型的正确性.关键词:虚拟样机;多体系统;反馈;机车车辆中图分类号:TP391.9 文献标识码:A V irtua l Prototypi ng Based Feedback M odel of Product D esign ProcessDING Guofu 1, H E Yong 1, ZOU Yis heng 1, WANG Jue 2, Z HANG W eihua3(1.Schoo l ofM echan ica l Eng .,Sout hwest Jiao tong U n i versity ,Chengdu 610031,China ;2.Schoo l o fE lectrica l Eng .,Southwest Jiao tong U niversity ,Chengdu 610031,Ch i na ;3.T racti on Power Sta te K ey L ab .,South w est Jiao tongU n i versity ,Chengdu 610031,Ch i na )Abst ract :In order to accelerate the conver gence o f a product design process to w ar ds the desi g nob j e c,t a feedback m odel for product design processes w as pr oposed .Th is m ode l i n cludes a productdesi g n m ode,l an analysis m odel and a si m ulati o n m ode,l and t h ey are syncretized in a product desi g nprocess .The pr oposed m ode l is based on a d i g ital pr o totype bu ilt i n the CAD envir onm en,t so it canguarantee the entirety of t h e desi g n object and the consistency of the desi g n process .By tak i n g thev irtual prototyping of a l o co m o tive based on the m ulti body syste m as an exa m ple ,the concrete for m s ofthe product desi g n m ode,l the analysi s m odel and t h e si m u lation m ode lw ere g iven to testify the validityof t h e proposed m ode.lK ey w ords :v irtual proto typ i n g ;m u lti body syste m;feedback ;l o co m o tive传统的设计是设计 试验 设计周而复始的串行过程.C AD 和CAE 虽然改变了设计的方法和手段,但对设计进程的改变较少.并行工程改变了串行的设计思路,将制造过程与设计分析过程并行考虑,但仍未解决产品在制造之前如何获得满意的设计效果问题,没有获得满意的、能减少产品试验次数的设计模型.虚拟样机技术为产品设计提供了新的思路,它既体现并行的思路和观点,又为所设计的产品模型到样机模型建立了虚拟的、基本能代替物理样机进行性能测试的数字化环境,在系统层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为,支持不同领域人员从不同的角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估[1~4].西 南 交 通 大 学 学 报第43卷虚拟样机是在CAX (CAD /C AE /C AM )基础上发展起来的,产品的设计与分析相对独立.C AD 环境中对产品性能分析的属性提取考虑较少,CAD 中的设计模型向CAE 中传递时容易造成信息丢失.在虚拟样机上,没有体现对产品设计目标的整体性与设计进程的一致性,为产品设计目标优化带来难度[2,3,5].虚拟样机面向并行工程,主要强调概念设计和产品设计的自动化表达、支持设计过程.如Lossack 等[6]提出的符号功能模型、I/O 功能模型、功能方法模型、功能 行为 状态模型、功能 行为 结构模型和基于知识的设计方法等.我国学者在该方面也有很多研究成果,如冯培恩等[7]提出的基于产品基因工程的概念设计、基于DFT 的产品建模方法等.这些方法主要侧重于产品模型的表达,所研究的模型主要在设计的前端,对产品分析视图模型和仿真模型等没有给出定义,仍然没有完全解决强调产品整体性能的虚拟样机工程中的问题.由于设计过程的复杂性,大量的研究集中在获得满意的设计目标的多目标优化(m u lti ob j e ctiveopti m izati o n)上,多采用基于知识的演绎和推理、神经网络、遗传进化、多Agent 等技术[8].作为强调整机性能优化的虚拟样机,多领域和多学科协作优化(m ulti d iscipli n ary design opti m ization ,MDO )技术和全局优化技术是主要的方法[9].W illia m s 等[9]针对MDO 进行了深入的研究,推导了相关的SDO I DF ,SDO MDF,I D O 等优化设计方法并给出了用于Opto m echanical 装置的实例.冯培恩等[10]提出了广义优化设计的理论框架,并做了初步的实践,但需要综合考虑产品多方面的设计要求,优化的规模和复杂度很大,难以实现.薛彩军[11]从协同的角度,采用分布式的优化模式,辅之以多Agent 求解多个相互独立,又相互耦合的子优化模型以简化广义优化的设计方法.上述这些方法主要还是考虑产品优化设计的本身,对基于性能分析的虚拟样机如何系统地使设计进程按照既定的目标进化,减少试验次数的理论和方法研究较少.针对虚拟样机研究中存在的不足和其内在的特点,本研究提出在虚拟样机意义下的产品设计进程的迭代和反馈思路,按照系统控制论的观点分析和综合,以获得满意的设计目标.1 设计反馈虚拟样机作为全新的设计手段,从系统工程的观点出发,强调设计、建模和仿真分析为一整体.产品从方案设计中获得的设计原型,经过对各种分析模型建模并用分析工具分析求解,以获得结果,再根据结果进行综合,获得对设计目标的改进,并反馈给设计原型修改.重复以上过程,直到与目标接近或一致.因此,虚拟样机的研制过程可视为闭环系统,按照系统控制论的方法和理论进行研究.另外,在虚拟样机的研制中,样机模型的获得是不断接近目标的优化迭代过程,这种过程通过信息反馈获得满意的设计模型,从而减少试制次数,降低成本[5].由此可得虚拟样机的另外特点:产品的设计更新是渐进的迭代过程.迭代多用于算法分析,应用于此引申为:在流程固定的基础上,通过不断修正产品设计的输入信息以获得朝着目标收敛的结果,如此循环运行,直至逼近或达到目标.虚拟样机每个设计循环必须经过设计、分析和试验等过程,模型综合分析的结果将以反馈的方式驱动这个过程继续迭代,直到获得满意的结果.由于设计过程的复杂性,如何驱动这些过程朝着设计目标收敛,需要具有感知设计过程的智能体进行控制.智能迭代综合采用类似于人的演绎和推理技术,用于对设计前的分析并感知设计后的结果,以驱动设计更新.结合系统的信息反馈机理,可以加快设计的过程朝着设计目标逼近.图1 产品设计过程抽象F i g .1 A bstracti on of product des i gn process 产品设计是串联和并联相结合的循序渐近过程,该过程可以抽象为图1的形式.将产品模型表达为一种约束结构图,节点反映同一产品模型下不同的产品分析视图.图1中:V G 为几何视图;V D 为动力学物理模型视图;V F 为有限元结构模型视图.由图1可知,V D ,V F 和V G 具有互联关系,V D 和V F 可以由V G 转化得到.在约束结构图纵向表达设计的不同阶段,节点所表达的视图发生相应的变化,可以支持设计进程和分析视图的变化,采用A gent 进行智能驱动.368第3期丁国富等:基于虚拟样机的产品设计进程反馈模型2 反馈策略的关键模型整个设计过程可以抽象为闭环的反馈系统,如图2所示.图中子视图模型进行局部反馈以优化模型,综合评价包括了各个视图的结果并进行综合以优化全局视图模型,子视图之间通过权重决定对全局模型的贡献度.图2 产品设计过程反馈模型F i g .2 Feedback model o f product des i gn process产品设计模型、产品分析模型和性能仿真模型是实现反馈策略的关键.性能仿真模型依赖于所分析的目标,如多体系统的自动建模等.3个模型贯穿于整个设计闭环过程,通过相互之间的关联感知模型更新和对模型进行校正,并推动模型反馈迭代,以获得满意的设计结果.(1)产品设计模型产品设计模型具有多层结构.在每个设计层次中,含有本阶段相关的设计进程,包括产品需求、设计选择和设计组件(设计特征的集合),同时分析模型与产品需求(设计约束)及设计组件相关联.设计模型、用户、框架等组件之间的交互通过设计知识和规则进行控制.设计模型在用户的交互下,驱动每一设计层次中虚拟设计过程.在用户的交互下,不同的分析应用视图从设计组件中提取特征参数信息,导出分析模型.产品设计模型与分析模型间的关系如图3所示.图3 设计模型与分析模型的关系F i g.3 Re lati on be t w een desi gn m ode l and ana l ysesm odel(2)产品分析模型产品分析模型是衔接性能仿真模型和设计模型的纽带.分析模型根据分析的目标映射为不同的模型格式.以多体系统为例,在设计模型中,必须抽象出性能分析模型的多体系统特征,建立组成多体系统的各种刚体、柔性体和相互之间位置和姿态关系的矩阵.定义各种约束的形式、抽象化表达和各种构件物理属性,最后完成多体系统拓扑结构的语义模型.(3)性能仿真模型性能仿真模型主要用于实现物理性能分析的封装,实现分析模型在求解空间中的自动映射并表达为369西 南 交 通 大 学 学 报第43卷370计算机能够解算的模型.同样以多体系统分析为例证,当获得分析模型后,性能仿真模型自动感知该模型中多体系统的拓扑结构,恢复为可组建的可视模型,然后直接在计算机空间中由可视模型映射为数值仿真模型.性能仿真模型可根据系统功能的要求采用可视化模型进行人机交互,数值仿真进行后台求解,最后以可视的方式提交给用户,其中数值仿真模型是必不可少的.3 反馈模型实例以机车车辆虚拟样机模型为例,利用所建立的机车车辆虚拟样机平台[12]验证反馈模型的正确性.机车车辆由车体、一系/二系悬挂、转向架轮对等部件组成,需要进行强度和动力学等和性能分析.强度分析保证零部件设计的优化,动力学保证整机性能的优化.实例中将机车车辆整机动力学分析作为验证模型的主要性能工具.在设计时,用户根据使用场合、工况、使用要求等提出设计要求和约束,规划出总体方案,初步完成方案草图的设计,利用功能 方法模型表达方案配置.另外,在设计过程中,可以建立设计更新的完整语义模型,同时考虑机车车辆的动力学性能的分析、构件的强度分析等,建立机车车辆的约束产品模型,为后续的分析过程、进程演化做好形式表达上的准备.根据设计配置产品的方案,初步设计出产品的外形几何尺寸及零件特征.根据设计的零件特征之间的约束关系、分析级别和分析精度,从动力学分析角度建立分析模型语义结构,其中包括动力学分析的定义、物理属性的定义、设计特征的简化、理想化、抽象标识和数据源关联等.通过产品设计模型和分析模型获得性能仿真模型,规划选择一定的求解模型与求解方案,然后,由多体意义下的机车车辆动力学模型对产品性能进行模拟.根据求解结果,输出为分析模型数据文件.然后,按照用户的设计目标、分析要求、全局综合评价和优化准则判断该分析结果是否为可接受的设计分析目标,决定如何驱动设计进程.选用CAXA三维C AD软件作为设计工具,通过CAXA的实体设计、扩展数据接口(extend data objec,t EDO)、内部和扩展的Catalogs以及二次开发(soft w are developm ent k i,t SDK),获得设计模型和分析模型.作者课题组自主开发的性能仿真模型(含可视仿真模型和数值仿真模型)如图4所示.图4 设计模型与分析模型开发F i g.4 D eve l op m ent o f desi gn m ode l and analysis m ode l产品模型与C AXA三维实体C AD建模环境之间具有映射关系.通过C AXA可以建立产品的三维实体模型(设计模型).利用C AXA的开放式组件结构,可以从产品模型中抽取分析模型.用户在框架下,根据已有的或定义的分析知识和设计分析规则,启动分析视图的实例化构建过程.分析模型视图用面向对象的层次化表达模型建立,中间嵌入约束模型的定义,通过对象标识,实例化对象层次结构.通过上述规划,可以获得各种模型的数据结构定义以及在求解过程相互关联的关系.如图5和图6所示.图5中,设计模型由C AXA的产品装配提取,分析模型通过对设计模型抽象得到多体系统拓扑结构,仿真模型根据分析模型的拓扑结构构建数模并求解.在图6中,为了实现设计过程的反馈,需要分析和评价仿真模型结果数据,提出改进意见,在此基础上与设计模型比较,进行系统灵敏度分析,再适当修正设计参数,获得新的样机模型进入循环过程.如此反复,直到获得满意的分析结果.第3期丁国富等:基于虚拟样机的产品设计进程反馈模型371西 南 交 通 大 学 学 报第43卷3724 结 论设计过程抽象为3个视图模型来获得产品设计反馈模型.通过实例验证了模型传递的过程.整个系统始终建立在CAD环境下的数字样机模型,保证了模型的一致性.在推动模型不断向优化目标的迭代过程中,在定性分析的基础上,给出合理的人工干预的方式.没有探讨整个设计的智能迭代的过程,后续的研究中将以智能Agen t的感知方式,从理论上分析在反馈模式下产品设计的过程.参考文献:[1] HAUG E J,C HO I K K K,KUH L J G,et a.l V irtual proto typ i ng si m u l a ti on for desi gn ofm echan i ca l sy stem s[J].Journa l o fM echan i ca l D es i gn,T ransacti ons of the A S M E,1995,117B(6):63 70.[2] L I Bohu,CHA I X udong,Z HUW enha,i et a.l T he recent research on v irtua l pro totyping eng i neeri ng for com plex products[C]P ro cecdings of CSC W D2004 8t h In ternati onal Conference on Com puter Supported Coopera ti veW o rk i n D esi gn.N e w Y ork: IEEE Inc.,2004:18 25.[3] W ANG G G.D e fi nition and rev i ew o f v irt ua l pro totyping[J].Journal o f Co m puti ng and Infor m a tion Science i n Eng i neer i ng,2002,2(3):232 236.[4] 熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报,2003,13(1):114 117.X I ONG G uang leng,L I Bohu,CA I Xudong.V irtual prototyp i ng techno l ogy[J].Journa l o f System S i m u l a tion,2003,13(1): 114 117.[5] 刘贤喜,刘竹青,周一鸣.机械系统虚拟样机软件原型的实用化研究[J].中国农业大学学报,2002,7(2):76 80.L I U X ianx,i L I U Zhuqing,ZHOU Y i m ing.S t udy on a mechan i ca l syste m v irtual pro totypi ng soft w are f o r practicab ilit y[J].Jou rnal of Ch i na A gr i culturalU n i v ers it y,2002,7(2):76 80.[6] LOSS ACK R S,UM EDA Y,TOM I YAMA T.R equire m ent,function and physica l pr i nciple modelling as the basis for a modelo f synthes i s[C] Com puter A i ded Conceptual D esi gn 98,Proceed i ng s o f the1998L ancaster Internati ona lW orkshop on Eng i neer i ng D esign.L ancaster:L ancaster U n i versity P ress,1998:165 179.[7] 冯培恩,陈泳,张帅,等.基于产品基因的概念设计[J].机械工程学报,2002,38(10):1 5.FE NG Pe ien,CHEN Y ong,Z HANG Shua,i et a.l P roduct gene based concep t ua l desi gn[J].Ch i nese Journal ofM echanical Eng i neer i ng,2002,38(10):1 5.[8] AM A R ES H C,THOMA S P B.A n approach to f uncti ona l synt hesis o fm echanical design concepts:theo ry,applicati ons ande m erg i ng research issues[C] A rtificia l Inte lli gence fo r Eng i nee ri ng D esi gn A nalysis and M anu fact ur i ng.Cambr i dg e:Ca m bridge U niversity P ress,1996:313 331.[9] W illi a m s A S t C L.M u ltidisc i p li nary desi gn opti m iza tion of opto m echan i ca l dev i ces[D].N e w Y ork:T he U n i versity o fR ochester,2000.[10] 冯培恩,邱清盈,潘双夏,等.机械产品的广义优化设计进程研究.中国科学(E辑),1999,29(4):338 346.FENG Pe ien,Q I U Q i ngy i ng,PA I Shuangx ia,et a.l G enera lized opti m izi ng desi gn o f mechan i ca l product.Ch i na Science(E),1999,29(4):338 346.[11] 薜彩军.结构静动态结构优化设计的若干关键问题研究[D].杭州:浙江大学,2003.[12] 邹益胜,丁国富,张卫华,等.机车车辆虚拟样机开发调度平台设计[J].西南交通大学学报,2008,43(1):45 50.ZOU Y isheng,D I NG Guo f u,Z HANG W e i hua,e t a.l Des i gn o f dispatch i ng platfo r m for deve l op m en t o f v irt ua l prototype o f ro lling stocks[J].Journal o f Sout hwest Ji aotong U n i versity,2008,43(1):45 50.(中文编辑:秦 瑜 英文编辑:付国彬)。