车辆总体协同设计系统架构及应用研究

2018-01-18李剑峰兰小平

制造业自动化 2017年11期

李剑峰，刘勇，兰小平

（中国北方车辆研究所，北京 100072）

0 引言

经过“九五”、“十五”、“十一五”期间的信息化建设，我国装甲车辆行业已经普遍采用了基于CAD/CAE和各种专业设计仿真工具软件的虚拟样机设计和仿真技术，但随着产品复杂程度的提高，如何高效的组织多学科协同工作，如何基于装甲车辆设计知识、设计规范和设计流程，对装甲车辆设计方案进行跨领域、多学科的综合设计仿真和优化，如何管理并继承以往设计过程中的相关知识方法、工具等成为装甲车辆总体设计水平提高所面临的重要问题。

多学科协同的设计系统即是指能够依据设计规范来高效组织整车设计流程、集成多种学科领域设计仿真工具软件并可继承、重用各种设计知识的集成设计系统。在国外有诸多商业系统集成软件，如Phoenix Integration公司的ModelCenter，美国Engineious公司的iSIGHT，德国航天中心的TENT等。在国内，多学科协同设计系统处于研究起步状态，清华大学CIMS工程技术中心熊光楞教授领导的研究组在支持复杂产品设计的多学科协同仿真技术方面提出了多学科仿真平台的参考结构[1]，相关高校和研究所还对飞机总体设计与支持技术[2]、航空发动机协同设计平台[3,4]、坦克装甲车辆知识平台进行了探索。总体看来，国外的商业软件相对成熟，但均为通用软件，针对具体设计领域则需要进行较多的二次开发且升级价格昂贵；国内则大都处于理论研究阶段，距离实际应用还有一定的距离，尤其是在综合协同设计平台的研究和复杂系统的应用方面，与国外相比有一定差距。

本文首先进行装甲车辆总体协同设计系统的需求分析，在此基础上提出车辆总体协同设计系统的体系架构并分析其关键技术，最后给出典型应用实例。鉴于实际项目的启动情况和建设思路的通用性，本文后续以履带车辆协同设计系统为例展开分析。

1 系统需求分析

我所在过去几十年的发展历程中，把完成型号任务与加强能力建设有机结合起来，实现了可持续发展，并取得了一定的信息化成果，采购了一些工具软件，已经具备了一定的研发基础，在产品研发过程中，能够利用自编软件、CAD工具、CAE仿真技术解决一些实际的问题，但是随着研制任务的增多，客户需求的不断提高，产品复杂度也越来越高，同时，更多的学科团队参与，对产品的整体性能、开发进度、研制过程和成本的控制也变得越来越困难。因此需要构建面向研发过程的多专业的协同车辆总体方案设计系统，实现数据、方法、知识、工具软件的集成和共享。通过该协同设计系统的建设：

1）实现车辆设计过程中设计数据在多专业之间的高速流动，实现跨学科的数据流通，提高设计迭代效率，进一步实现多学科协同优化；

2）建立以具体设计活动为核心的设计任务流程一体化管理系统，实现研发管理流程和专业方案设计流程显性化、可视化执行；

3）提供一个数字化的车辆总体方案设计环境，实现企业设计知识、方法的有效积累，为方案设计能力的不断提升奠定一个坚实的基础。

2 履带车辆总体方案设计系统的体系架构

图1 系统架构

履带车辆总体方案设计系统总体架构图如图1所示，包括：履带车辆总体方案设计系统门户、履带车辆总体方案设计流程管理系统、履带车辆总体方案设计专业系统、履带车辆总体方案数据管理系统等四个部分，其中：

系统门户是整个系统的统一入口，是系统的顶层应用和展现层，通过权限和栏目设置，用户可方便的浏览、查询相关的信息和资源，同时可以进入不同专业完成研发工作。集成门户作为总体设计集成的组成部分，为企业的二级门户，并可以集成企业的其他信息系统。

车辆总体方案设计流程管理系统通过将任务管理与流程管理融合为一体，将具体的产品开发业务过程与特定的项目管理相联系，提高研发流程管理水平和项目管理水平，并将管理过程和设计过程流程化、显性化，通过流程可视化执行，数字化、规范化的指导、约束研发过程。

车辆总体方案设计专业系统通过集成设计框架提供的集成开发环境、集成设计环境，封装专业软件、工具、方法、知识等，开发出面向车辆总体设计的专业设计软件包，例如总体结构设计软件包、机动性能软件包等。为设计分析人员提供便捷、准确、高效的设计手段，设计人员在软件包下，通过“搭积木”的方式指导、完成设计。通过集成化设计提高设计效率，降低软件使用门槛，减少迭代成本，提高设计仿真效率，实现快速设计。

车辆总体方案数据管理系统主要是对设计、仿真过程中设计参数、设计模型、分析模型、分析结果、设计分析报告等过程数据和结果数据以及产生这些数据的操作和过程进行管理，实现设计过程数据的有效追溯及过程数据的有效积累和沉淀。

3 与现有信息系统之间的关系分析

3.1 与科研项目管理系统之间的关系

作为全所的顶层项目管理系统，科研项目管理系统管理全所科研项目的关键节点及交付物，而履带车辆总体方案设计系统则主要关注总体设计相关科研项目的具体设计活动。因此两系统协同应用场景为：从科研项目管理系统中派发总体设计相关项目至履带车辆总体方案设计系统，履带车辆总体方案设计系统完成具体的项目设计活动分解，并反馈关键节点的交付物至科研项目管理系统中。具体关系如图2所示。

图2 与科研项目管理系统关系

3.2 与PDM系统之间的关系

PDM系统侧重于三维模型和关键节点的交付物管理，而履带车辆总体方案设计系统侧重的是具体设计过程数据，其更加关注于过程和具体设计活动之间的关系管理。履带车辆总体方案设计系统与PDM系统的典型协同场景如图3所示。

图3 履带车辆总体设计系统与PDM系统协同示意

3.3 与OA系统之间的关系

履带车辆总体方案设计系统可以自动导入OA系统中设计人员信息，并可将相关设计任务信息推送至OA系统，提醒科研人员完成相关任务。科研人员在OA中进行任务查看时可以查阅相关数据，但并不是把数据传给OA，而是把数据索引传给OA，通过索引打开履带车辆总体方案设计系统中的数据进行审阅。

4 关键技术

4.1 流程的动态修改及设计模板关联技术

履带车辆总体方案设计系统主要负责总体设计过程中的具体设计活动及过程数据管理，考虑到实际研发活动的复杂性，设计流程必须能够根据项目需求灵活进行任务调整和增减，在流程执行起来后仍可以动态对流程进行修改，克服传统的活动执行引擎流程执行起来后不能再修改等缺点，且上述柔性设计流程能够方便的与专业设计系统中地设计模板进行关联。

4.2 数据的自动推送技术

车辆总体方案设计是一个复杂的系统工程，设计过程中大量的数据将在多专业之间流转，不同专业的设计人员都需要面向同一个中性的数据中间模型，该中间模型保存着不同专业设计的参数信息，当设计过程中具体设计活动之间的逻辑关系定义后，系统应支持定义设计活动之间的数据流，从而实现数据在设计人员之间的自动推送，也即上游的设计人员向系统提交设计数据后，下游的设计人员应能自动获取设计数据，以达到快速迭代设计的目的。

4.3 无编程的专业设计工具封装技术

为了实现企业设计方法的不断积累，车辆设计系统框架软件应提供无需编程即可封装各种设计和分析模板的能力。系统除了需要提供大量的软件集成接口（例如通用CAX软件接口、Office接口、MATLAB接口、动态库接口、EXE程序接口等），系统还应提供标准的接口开发规范，用户或者第三方按照此标准开发出的软件接口，均可以无缝集成到系统中，进行软件的集成和封装。在简单模板的基础上，系统应可方便地封装组合模板实现复杂功能。

5 典型应用案例

图4 某型车的总体协同设计

如图4所示为某型车的总体设计在总体协同设计平台的实际应用案例，在该案例中，不同设计人员登录同一设计平台展开协同设计。从该图可以看出，多个学科的设计人员可以通过协同设计平台参予具体的设计活动，通过设计活动之间数据流的定义，可以实现设计活动之间数据的高速流转，同时协同设计平台还为不同专业设计人员提供了专业设计模板。

如图5所示为总体协同设计平台中封装的整车宽度方向尺寸优化设计模板，借助该模板，设计人员无需重新进行该优化问题的建模及编程求解，仅需在对话框中输入相应设计参数及约束条件即可得到计算结果，图6为该模板自动调用MATLAB软件生成的整车宽度随履带板宽度、L/B及接地比压的取值情况。该类模板为企业自编程序集成的范例，可以有效实现企业设计方法的积累。