楊維峰等

為了實現(xiàn)柴油機的數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成，本文研究了數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展趨勢，描述了柴油機數(shù)字樣機的定義，闡述了主動地應(yīng)用、創(chuàng)建設(shè)計重用資源，構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括仿真模型的階段性繼承重用、自頂向下模塊化設(shè)計方法、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、知識工程以及軟件系統(tǒng)集成等技術(shù)。

目前，美、德、日等發(fā)達(dá)國家通過采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造數(shù)字化工廠，實現(xiàn)了從采購、生產(chǎn)到銷售和服務(wù)的全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化，而我國在數(shù)字化制造領(lǐng)域尚缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化制造技術(shù)，迫使我國加快工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的步伐，借鑒德國工業(yè) 4.0計劃，使工業(yè)化、信息化深度融合，力爭在 2025年從工業(yè)大國轉(zhuǎn)型為工業(yè)強國。企業(yè)要進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和自主產(chǎn)品創(chuàng)新，通過產(chǎn)品設(shè)計手段與設(shè)計過程的數(shù)字化和智能化，應(yīng)用數(shù)字樣機技術(shù)，以全新的設(shè)計模式和開發(fā)體系，給設(shè)計過程加入數(shù)字化的驗證手段，顯著提高產(chǎn)品研發(fā)速度和研發(fā)質(zhì)量，降低研發(fā)成本，不斷提高企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新能力、快速反應(yīng)能力、競爭能力和經(jīng)濟(jì)效益。

面向設(shè)計重用，就是主動地應(yīng)用和創(chuàng)建設(shè)計重用資源 （包括知識、技術(shù)和系統(tǒng)等 ）。構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機是充分體現(xiàn)了設(shè)計重用思想的創(chuàng)新活動。

一、柴油機數(shù)字樣機

隨著虛擬產(chǎn)品開發(fā)（Virtual Product Development，VPD）和產(chǎn)品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）等多種數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)品創(chuàng)新領(lǐng)域引發(fā)了大變革，數(shù)字樣機技術(shù)是各領(lǐng)域 CAX/DFX技術(shù)的發(fā)展和延伸。在數(shù)字樣機概念出現(xiàn)前期，國內(nèi)外文獻(xiàn)出現(xiàn)了數(shù)字化產(chǎn)品模型技術(shù)（Digital Mock-Up）或數(shù)字化樣機（Digital Prototype）、功能虛擬樣機（Functional Virtual Prototype）或虛擬樣機（Virtual Prototype）、虛擬工廠仿真（Virtual Factory Simulation）或數(shù)字工廠（e-Factory）等概念，表明仿真在產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用趨于協(xié)同化和系統(tǒng)化，而且越來越廣泛而深刻，由原先的局部應(yīng)用（單領(lǐng)域、單點）逐步擴展到系統(tǒng)應(yīng)用（多領(lǐng)域、全生命周期）。

GB/T 26100-2010《機械產(chǎn)品數(shù)字樣機通用要求》對數(shù)字樣機（Digital Mock-Up，DMU）的定義是：對機械產(chǎn)品整機或具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對象的功能和性能。產(chǎn)品的數(shù)字樣機形成于產(chǎn)品設(shè)計階段，可應(yīng)用于產(chǎn)品的全生命周期，這包括：工程設(shè)計、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、售后和回收等環(huán)節(jié)；數(shù)字樣機在功能上可實現(xiàn)產(chǎn)品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工制造模擬、使用者培訓(xùn)、宣傳和維修規(guī)劃等方面。

根據(jù)功能和應(yīng)用對象，柴油機數(shù)字樣機可以分為以結(jié)構(gòu)樣機、性能樣機和功能樣機等為主的設(shè)計信息樣機，以及以制造樣機、裝配樣機、展示樣機和培訓(xùn)樣機等為主的專用樣機。

結(jié)構(gòu)樣機是用于描述柴油機幾何形狀的數(shù)字樣機，是柴油機外形輪廓、基本結(jié)構(gòu)等方面的數(shù)字化表達(dá)。除了柴油機內(nèi)部和外部各零部件的幾何形狀外，結(jié)構(gòu)樣機還包含了柴油機重量、重心等信息，并支持零部件運動間隙、干涉檢查和尺寸鏈等信息的獲取。

性能樣機是側(cè)重于產(chǎn)品性能描述的數(shù)字樣機，用于柴油機性能、子系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計與表達(dá)，支持燃燒過程分析與控制。通過從性能樣機中提取結(jié)構(gòu)及參數(shù)，可以進(jìn)行供油系、進(jìn)排氣系（含增壓）、冷卻系和潤滑系的參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，支撐子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)優(yōu)化。性能樣機還包含柴油機可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性和環(huán)境適應(yīng)性等方面的信息。性能樣機允許按子系統(tǒng)（燃燒、供油、電控、進(jìn)排氣和冷卻和潤滑等）分別創(chuàng)建。

功能樣機是側(cè)重于產(chǎn)品功能描述的數(shù)字樣機，用于柴油機零部件的設(shè)計與表達(dá)，可以進(jìn)行曲軸連桿機構(gòu)、傳動機構(gòu)和配氣機構(gòu)及其支撐、定位結(jié)構(gòu)的分析，支持密封及緊固設(shè)計。通過從功能樣機中提取結(jié)構(gòu)及參數(shù)，可以進(jìn)行運動機構(gòu)剛強度、運動狀態(tài)及接觸狀態(tài)等的分析。除了柴油機運動過程中零部件的運動學(xué)信息（位移、速度和加速度等）和動力學(xué)信息（作用力、摩擦力及預(yù)緊力等）外，功能樣機還能夠表達(dá)柴油機各運動機構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系。功能樣機可按運動機構(gòu)（曲軸連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)和傳動機構(gòu)）分別創(chuàng)建，并可以支持運動機構(gòu)間協(xié)調(diào)優(yōu)化工作。

專用樣機是為支持柴油機全生命周期過程中特殊用途而構(gòu)建的柴油機數(shù)字樣機，是實物樣機用于制造、裝配和使用的數(shù)字化表達(dá)。制造樣機包含零部件的 CAM及CAPP仿真分析，零部件的成型、加工過程，表面粗糙度要求，以及尺寸公差等信息；裝配樣機包含樣機裝配工裝、裝配路徑、裝配順序以及裝配過程中的人機工程學(xué)模擬信息；展示樣機著重表達(dá)了柴油機的關(guān)鍵技術(shù)的零部件、子系統(tǒng)等，以及新材料、新工藝的應(yīng)用信息；培訓(xùn)樣機著重于表達(dá)柴油機操作過程，日常維護(hù)等信息。

二、構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機的階段性繼承重用

數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)主要包括三維幾何建模技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)字化裝配技術(shù)、數(shù)字化仿真分析以及產(chǎn)品的數(shù)字化加工等部分。在產(chǎn)品數(shù)字化定義的基礎(chǔ)上，通過虛擬裝配，協(xié)調(diào)各零件之間的間隙，排除各種不合理的設(shè)計和干涉，進(jìn)行運動機構(gòu)分析，模擬零部件安裝、拆卸分析，功能、性能交互仿真分析，系統(tǒng)部件行為的交互模擬分析等一系列設(shè)計活動，最終形成數(shù)字樣機。

柴油機數(shù)字樣機研發(fā)過程中至少需要進(jìn)行概念設(shè)計、方案設(shè)計和工程設(shè)計三輪樣機構(gòu)建。數(shù)字樣機仿真是可演進(jìn)的，上一階段的數(shù)字樣機是下一階段設(shè)計的輸入和依據(jù)，每一階段數(shù)字樣機都已經(jīng)首先包含上一階段數(shù)字樣機的所有相關(guān)信息，不同階段仿真模型是繼承重用。具體如表所示。

1.構(gòu)建概念設(shè)計階段數(shù)字樣機

柴油機概念設(shè)計階段數(shù)字樣機，用于描述柴油機的基本技術(shù)方案，確定柴油機外形，并完成各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)關(guān)系，對零部件外形及功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)。概念設(shè)計階段提交的數(shù)字樣機至少包含結(jié)構(gòu)樣機和性能樣機。endprint

概念設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)樣機至少包含柴油機各部件、系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和在柴油機內(nèi)的布置，柴油機缸蓋進(jìn)排氣道結(jié)構(gòu)和三維形狀，柴油機整機支撐布局及主要承力結(jié)構(gòu)，柴油機外部輪廓限制尺寸，柴油機與臺架、整機的主要接口。

概念設(shè)計階段的性能樣機至少包含柴油機單缸機試驗及一維燃燒分析信息，供油系部件試驗及分析信息，進(jìn)排氣道性能部件試驗及分析信息，冷卻系、潤滑系一維分析信息，電控策略信息。

2.構(gòu)建方案設(shè)計階段數(shù)字樣機

柴油機方案設(shè)計階段數(shù)字樣機，用于定義柴油機的基本物理布局和重要結(jié)構(gòu)尺寸，同時完成柴油機整機和部件級結(jié)構(gòu)可靠性的分析和確認(rèn)，并完成整機及零部件的設(shè)計仿真和優(yōu)化。方案設(shè)計階段提交的數(shù)字樣機至少包含結(jié)構(gòu)樣機、性能樣機和功能樣機。

方案設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)樣機至少包含整機及關(guān)鍵零部件剛度三維仿真分析信息，柴油機主要附件布置，柴油機所有部件間結(jié)構(gòu)劃分和部件間的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸，零部件的主要結(jié)構(gòu)，柴油機主要維護(hù)保養(yǎng)點所需結(jié)構(gòu)，柴油機主要管路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及其連接，柴油機的初步輪廓和主要接口。

方案設(shè)計階段的性能樣機至少包含柴油機燃燒過程三維仿真信息，柴油機冷卻、潤滑、進(jìn)排氣和供油系統(tǒng)三維仿真信息。

方案設(shè)計階段的功能樣機至少包含柴油機整機及主要零部件剛度三維仿真信息，柴油機整機振動噪聲三維仿真信息，柴油機運動機構(gòu)機械運動仿真信息和運動學(xué)、動力學(xué)分析信息，柴油機緊固和密封設(shè)計信息。

3.構(gòu)建工程設(shè)計階段數(shù)字樣機

柴油機工程設(shè)計階段數(shù)字樣機，用于支持全生命周期的數(shù)字化設(shè)計、仿真分析、制造、裝配、試驗、使用及維護(hù)。工程設(shè)計階段提交的數(shù)字樣機包含結(jié)構(gòu)樣機、性能樣機、功能樣機和專用樣機。

工程設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)樣機包含柴油機數(shù)字化預(yù)裝配信息，柴油機所有零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸，柴油機所有維護(hù)保養(yǎng)點所需結(jié)構(gòu)尺寸，完整的管路、電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，柴油機所有外圍接口。

工程設(shè)計階段的性能樣機包含柴油機可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性和環(huán)境適應(yīng)性等信息。

工程設(shè)計階段的功能樣機包含整機關(guān)鍵部位疲勞安全系數(shù)信息，關(guān)鍵零部件應(yīng)力分析信息，關(guān)鍵運動件變形信息和接觸及疲勞安全系數(shù)信息。

三、構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機的自頂向下、模塊化設(shè)計方法

數(shù)字樣機的構(gòu)建流程采用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計任務(wù)由總體到系統(tǒng)、部件逐級分解，由部件、系統(tǒng)到整機逐步組合，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計，支持多專業(yè)人員的協(xié)同。

模型重用的基礎(chǔ)是模塊化，即每個可重用的模型必須以一個可分離的方式獨立存在，通過標(biāo)準(zhǔn)的輸入 /輸出接口定義實現(xiàn)模塊功能和表現(xiàn)形式的獨立性。模塊化設(shè)計是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能而不同性能和規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行市場預(yù)測、功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求的設(shè)計方法。重用已有的經(jīng)過試驗、生產(chǎn)和市場驗證的模塊，可以降低設(shè)計風(fēng)險，提高產(chǎn)品的

可靠性和設(shè)計質(zhì)量。構(gòu)建數(shù)字樣機只是實現(xiàn)了幾何上的模塊化，我們要實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)過程的模塊化。

模型結(jié)構(gòu)的層次化是組織復(fù)雜模型的有效方法。數(shù)字樣機構(gòu)建過程中參數(shù)及接口傳遞按照自頂向下的順序分層次構(gòu)建，逐步細(xì)化。頂層通過參數(shù)文件和總體骨架模型，表達(dá)及協(xié)調(diào)設(shè)計參數(shù)、設(shè)計結(jié)構(gòu)、外廓約束、部件間接口、聯(lián)接、緊固和密封等，并以協(xié)調(diào)卡片和發(fā)布骨架的形式階段性穩(wěn)定設(shè)計狀態(tài)。柴油機整機模型構(gòu)建程序如圖 1所示。

柴油機數(shù)字樣機設(shè)計間、設(shè)計與仿真間、設(shè)計與工藝間協(xié)同方法和協(xié)同節(jié)點按照柴油機各階段設(shè)計流程開展。數(shù)字樣機包含柴油機的機械結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系，以用于結(jié)構(gòu)和性能分析。

四、構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機的數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)字樣機是表達(dá)產(chǎn)品所有狀態(tài)最根本的依據(jù)。完備的數(shù)字化產(chǎn)品模型，不僅是要描述產(chǎn)品整個生命周期某個過程的產(chǎn)品構(gòu)成情況，而且對產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)的標(biāo)識、審核和控制都要求很高。數(shù)字樣機是通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product DataManagement，PDM）系統(tǒng)進(jìn)行存儲和管理的。將產(chǎn)品在自頂向下建模設(shè)計過程中產(chǎn)生的與產(chǎn)品相關(guān)的設(shè)計、分析數(shù)據(jù)（包括骨架模型、三維模型、二維圖樣、運動機構(gòu)仿真動畫及虛擬裝配動畫、測試數(shù)據(jù)和仿真分析報告等），按研制階段的不同應(yīng)用要求提交到 PDM系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同分別進(jìn)入產(chǎn)品、參數(shù)、試驗和生產(chǎn)等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理。簽入并確認(rèn)有效性的數(shù)字樣機數(shù)據(jù)在全生命周期內(nèi)為單一數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、提交、版本、更改和衍生應(yīng)進(jìn)行受控管理。應(yīng)根據(jù)不同平臺、不同階段、不同單位和不同用途等情況 ，考慮數(shù)字模型的轉(zhuǎn)換和合并 ，提出模型的交互格式要求。由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)安全集中共享，設(shè)計人員可以很方便地查找、借用其它同類產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計重用率大大提高。

PDM管理的不僅是數(shù)據(jù)，設(shè)計重用的對象包括可重用的設(shè)計結(jié)果和設(shè)計方法、工具和過程等抽象知識?？芍赜玫慕Y(jié)果可以減少重復(fù)的零部件的設(shè)計；可重用的過程就是模塊化封裝的過程，可以減少設(shè)計過程中某一環(huán)節(jié)的重復(fù)。

數(shù)字樣機的仿真分析需要結(jié)合實物試驗數(shù)據(jù)。用數(shù)字樣機技術(shù)進(jìn)行仿真分析（含有簡化和假設(shè)）的結(jié)果，只有重用并對比了企業(yè)積累的用實物樣機進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的試驗測試結(jié)果，如圖 2所示，才能建立對仿真分析的置信度，提高產(chǎn)品設(shè)計水平，實現(xiàn)原始創(chuàng)新。

企業(yè)要有目的地建立和挖掘提取可重用設(shè)計資源，減少創(chuàng)新開發(fā)中的重復(fù)勞動。按參數(shù)化設(shè)計要求，構(gòu)建產(chǎn)品需求的通用件、標(biāo)準(zhǔn)件庫，而且通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等模型庫必須唯一，保證設(shè)計重用時的方便準(zhǔn)確調(diào)用。

五、構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機的知識工程

在柴油機全生命周期中，數(shù)字樣機創(chuàng)建過程中的每一步實質(zhì)上都是知識應(yīng)用和驅(qū)動的過程。應(yīng)用知識工程 （KnowledgeBased Engineering，KBE），將知識、技能、經(jīng)驗、原理和規(guī)范等融合、重用到產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)環(huán)境中，構(gòu)建了一個知識驅(qū)動的可回溯的迭代與進(jìn)化過程，使得工程設(shè)計人員在自動或交互的復(fù)合環(huán)境中，只要輸入工況參數(shù)或工程參數(shù)或應(yīng)用要求，系統(tǒng)就能依據(jù)相關(guān)的知識（規(guī)則），自動推理構(gòu)造出符合該特定要求下的產(chǎn)品零部件數(shù)字模型。

六、結(jié)語

數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵是要實現(xiàn)仿真間的互操作，促進(jìn)仿真資源（特別是模型資源）的重用。在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計的全生命周期中，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口和模塊化的、集成的平臺非常重要。構(gòu)建柴油機數(shù)字樣機必須規(guī)范三維基礎(chǔ)環(huán)境配置，統(tǒng)一仿真建模環(huán)境。為了實現(xiàn)廠所之間數(shù)字樣機相關(guān)軟件的模型重用和信息集成，從現(xiàn)在的互聯(lián)到互通，直到互操作，車用動力數(shù)字化工程正在完善設(shè)計制造遠(yuǎn)程異地一體化協(xié)同平臺，實現(xiàn)分布在不同地點的多個企業(yè)之間對數(shù)字樣機的集成應(yīng)用、互操作，實現(xiàn)設(shè)計制造并行。endprint