胡長(zhǎng)明，操衛(wèi)忠，王長(zhǎng)武，王金偉，吳敬凱

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

電子裝備廣泛應(yīng)用于通訊、探測(cè)、導(dǎo)航、對(duì)抗等各類(lèi)電子系統(tǒng)，是信息探測(cè)、存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)妮d體，是信息時(shí)代的支柱[1]。隨著人類(lèi)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代電子裝備的性能要求也越來(lái)越高，其典型特征是客戶(hù)需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過(guò)程復(fù)雜、項(xiàng)目管理復(fù)雜。復(fù)雜電子裝備涉及多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域，它往往是機(jī)械、控制、電子、液壓、氣動(dòng)、軟件等多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域零部件、子系統(tǒng)的綜合組合體[1-2]。以物理樣機(jī)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)模式，樣機(jī)制造與試驗(yàn)過(guò)程昂貴而費(fèi)時(shí)，必須通過(guò)引入全新的技術(shù)變革以適應(yīng)復(fù)雜電子裝備的“短、平、快”研發(fā)需求。

數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)(digital mock-up)，又稱(chēng)虛擬樣機(jī)技術(shù)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種基于產(chǎn)品計(jì)算機(jī)仿真模型的設(shè)計(jì)方法。該技術(shù)的核心是基于MBSE結(jié)合先進(jìn)的管理方法學(xué)和信息化技術(shù)，開(kāi)發(fā)面向企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的，從概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)到加工制造、檢驗(yàn)、集成試驗(yàn)，乃至交付、使用的全壽命周期數(shù)字化綜合研發(fā)平臺(tái)[3-7]。將數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜電子裝備的研發(fā)中將極大的提高研發(fā)效率、節(jié)約成本、提升企業(yè)創(chuàng)新能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和三維 CAD /CAE/CAM技術(shù)的成熟與普及，數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)階段：

(1)MBD全三維設(shè)計(jì)階段

20世紀(jì)90年代，波音公司采用基于模型定義技術(shù)(Model Based Definition, MBD)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的唯一依據(jù)，提出了全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了數(shù)字化研發(fā)新模式，并在航空航天領(lǐng)域得到了大量的推廣應(yīng)用[8-13]。

(2)MBSE基于模型的系統(tǒng)工程階段

近年來(lái)，隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的進(jìn)一步提升，國(guó)際工程組織(INCOSE)提出了基于MBSE研發(fā)方法[14]。MBSE定義為：其是對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及后來(lái)的所有的壽命周期階段[15]。實(shí)踐證明，MBSE能很大程度減少產(chǎn)品研發(fā)復(fù)雜度，為復(fù)雜系統(tǒng)工程研發(fā)提供很好的解決措施[16-24]。

(3)完全數(shù)字化樣機(jī)階段

新的設(shè)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)傳遞方式和流程管理提出了更高的要求，需要統(tǒng)一的平臺(tái)進(jìn)行管理?？湛凸咎岢龅幕诋惖貐f(xié)同研制平臺(tái)，集成一流的工具和方法，使研發(fā)人員在全三維環(huán)境中實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同的設(shè)計(jì)、仿真、評(píng)審和數(shù)據(jù)共享的理念標(biāo)志著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步入完全數(shù)字化樣機(jī)階段。標(biāo)志性平臺(tái)如達(dá)索公司的3D體驗(yàn)平臺(tái)[24]、安世亞太的精益研發(fā)平臺(tái)、西門(mén)子的Teamcenter平臺(tái)等。

相比國(guó)際領(lǐng)先的制造企業(yè)，國(guó)內(nèi)的數(shù)字化技術(shù)還不夠成熟，特別是在一體化平臺(tái)建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、工具集成、用戶(hù)體驗(yàn)、協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同仿真等方面的研究應(yīng)用還有待加強(qiáng)。

中國(guó)制造2025的核心是智能制造，其關(guān)鍵使能技術(shù)即數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)。本文首先給出復(fù)雜電子裝備數(shù)字化樣機(jī)的概念及其發(fā)展現(xiàn)狀；然后，分析其原理和框架，進(jìn)而探討關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；最后，以理論研究為支撐，將數(shù)字樣機(jī)技術(shù)與復(fù)雜電子裝備研發(fā)相結(jié)合，介紹針對(duì)復(fù)雜電子裝備的數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用案例，以促進(jìn)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中的實(shí)施與發(fā)展。

1 復(fù)雜電子裝備結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)概念

復(fù)雜電子裝備是多個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)復(fù)雜的耦合關(guān)系集成的產(chǎn)物，要求除了滿(mǎn)足單領(lǐng)域的各種功能外，同時(shí)要求其必須滿(mǎn)足系統(tǒng)耦合后全系統(tǒng)的功能要求，復(fù)雜電子裝備的設(shè)計(jì)方法更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性與整體性。

復(fù)雜電子裝備結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)是復(fù)雜電子裝備物理樣機(jī)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的一種映射，能夠準(zhǔn)確且全面的反映真實(shí)電子裝備在結(jié)構(gòu)方面的特征與特性，能夠在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試，在某種程度上代替物理實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化電子裝備的數(shù)字樣機(jī)?；趶?fù)雜電子裝備結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)是以客戶(hù)需求為基本點(diǎn)，以外部環(huán)境為基本條件，以多層次、多粒度模型為基石，以功能模型為橋梁，以組件模型為紐帶，結(jié)合基于廣義MBSE的數(shù)字化定義技術(shù)和自上而下(Top-Down)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)[25]。

2 結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)原理及架構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)原理

結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)數(shù)字化模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。該技術(shù)的本質(zhì)是利用結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型代替物理樣機(jī)，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型進(jìn)行分析、優(yōu)化、測(cè)試、評(píng)估以及制造等一系列研究[26]。數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)是一個(gè)多線(xiàn)程并行的設(shè)計(jì)過(guò)程，在產(chǎn)品研發(fā)初期就需充分考慮各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與影響因素，提前解決和消除研發(fā)過(guò)程中存在的各種潛在結(jié)構(gòu)問(wèn)題。同時(shí)綜合各項(xiàng)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)交互和協(xié)同研發(fā)，借助多項(xiàng)技術(shù)(如運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真等)的聯(lián)合求解來(lái)確定最佳的結(jié)構(gòu)研發(fā)方案。

結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)研發(fā)模式相比強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)，其研發(fā)過(guò)程涉及產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，如圖1所示。結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)改變了以結(jié)構(gòu)物理樣機(jī)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造模式，研發(fā)人員可以在計(jì)算機(jī)中完成充分的仿真、分析、優(yōu)化及驗(yàn)證工作。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅大大提高了產(chǎn)品的可靠性，而且降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了研發(fā)周期。

圖1 產(chǎn)品全生命周期研發(fā)過(guò)程

2.2 結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)集成平臺(tái)架構(gòu)

針對(duì)復(fù)雜電子裝備研發(fā)的特點(diǎn)，建立的基于MBSE思想的全三維數(shù)字化樣機(jī)集成平臺(tái)，對(duì)數(shù)字化樣機(jī)的流程、工具和數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范管理，綜合考慮了協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同仿真、流程管理、數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)建設(shè)等功能，在突出仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，工藝前期介入的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了“知識(shí)管理模板化、工具軟件集成化、設(shè)計(jì)仿真協(xié)同化、項(xiàng)目流程規(guī)范化”的研發(fā)模式，提高了研發(fā)過(guò)程規(guī)范性，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同并行工作和全生命周期管理。數(shù)字化樣機(jī)平臺(tái)的構(gòu)建框架如圖2所示，包含流程管理層、應(yīng)用層，支撐層和資源層4個(gè)內(nèi)容。

圖2 結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)集成平臺(tái)架構(gòu)

1)流程管理層：平臺(tái)涵蓋了產(chǎn)品研發(fā)的論證階段、方案階段、工程研制階段和設(shè)計(jì)定型階段等不同研發(fā)階段的全生命周期管理；

2)應(yīng)用層：充分應(yīng)用數(shù)字化樣機(jī)手段提高產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量。在協(xié)同研發(fā)模式中，設(shè)計(jì)、工藝、仿真在不同階段充分協(xié)同，突出仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，工藝早期介入的思想，實(shí)現(xiàn)小V循環(huán)，使大部分設(shè)計(jì)問(wèn)題在早期提前暴露；

3)支撐層：通過(guò)信息化手段集成現(xiàn)有或未來(lái)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)、平臺(tái)，打通各平臺(tái)和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，形成統(tǒng)一集成平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)協(xié)同研發(fā)提供支撐；

4)資源層：整合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、工具軟件等資源，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)與仿真。

3 關(guān)鍵技術(shù)探索

結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)架構(gòu)及其技術(shù)在機(jī)械、航空、船舶等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但在復(fù)雜電子裝備研制領(lǐng)域的推廣應(yīng)用還需探索一系列關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)字化樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建、全流程三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)以及協(xié)同仿真技術(shù)等。

3.1 結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建

基于MBSE的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)、仿真、工藝、制造、檢驗(yàn)等一體化協(xié)同提供實(shí)現(xiàn)條件，通過(guò)全三維結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全壽命周期的統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。為推進(jìn)結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，首先需結(jié)合電子裝備行業(yè)研發(fā)特點(diǎn)，建立全三維設(shè)計(jì)管理頂層綱領(lǐng)性文件進(jìn)行全三維設(shè)計(jì)管理，之后需對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程、工具和數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范管理，構(gòu)建結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，如圖3所示。

結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括全三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、全三維工藝標(biāo)準(zhǔn)和仿真分析標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)分為規(guī)范類(lèi)、指南類(lèi)和手冊(cè)模板類(lèi)三類(lèi)，每一類(lèi)分別針對(duì)設(shè)計(jì)、制造和仿真的細(xì)節(jié)進(jìn)行規(guī)范、指導(dǎo)以及提供模板。

3.2 全流程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)

全流程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)是以三維模型為基本載體在各系統(tǒng)之間和生命周期各環(huán)節(jié)之間完成協(xié)同設(shè)計(jì)信息傳遞的設(shè)計(jì)模式。復(fù)雜電子裝備研發(fā)制造過(guò)程中主要協(xié)同對(duì)象包括：系統(tǒng)與分系統(tǒng)的快速協(xié)同、設(shè)計(jì)與制造的并行協(xié)同。

3.2.1 系統(tǒng)與分系統(tǒng)快速協(xié)同

復(fù)雜電子裝備在設(shè)計(jì)階段需要解決從系統(tǒng)到分系統(tǒng)的信息流轉(zhuǎn)問(wèn)題。Top-Down的設(shè)計(jì)思想是解決這個(gè)問(wèn)題的有效方式，它采取總體布局、總體結(jié)構(gòu)、部件結(jié)構(gòu)到部件零件的一種自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)過(guò)程。Top-Down設(shè)計(jì)流程首先由總體部門(mén)確定電子裝備的總體參數(shù)，進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)；然后各分系統(tǒng)進(jìn)行部件布局設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行整件布置和零件設(shè)計(jì)。采用Top-Down設(shè)計(jì)便于理清設(shè)計(jì)思路，可以分層分級(jí)把控各級(jí)零部件的設(shè)計(jì)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)穿透式透明把控，克服了傳統(tǒng)自底向上設(shè)計(jì)模式易出錯(cuò)、效率低的缺點(diǎn)。為了改變傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)方式，引入基于骨架模型的協(xié)同設(shè)計(jì)模式。骨架模型主要有基準(zhǔn)面、軸、坐標(biāo)系和點(diǎn)、線(xiàn)、曲面等組成，反映了復(fù)雜電子裝備結(jié)構(gòu)的外部輪廓、空間布局和接口關(guān)系，它是連接系統(tǒng)和分系統(tǒng)的橋梁，傳遞著結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)信息。按照Top-Down的順序，各級(jí)設(shè)計(jì)師逐層細(xì)化并下發(fā)骨架模型，設(shè)計(jì)師參照骨架進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)中若對(duì)子系統(tǒng)模型有更改需求，可通過(guò)修改骨架直接驅(qū)動(dòng)模型修改，大大提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)差錯(cuò)?；赥op-Down和骨架模型的協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)流程

3.2.2 設(shè)計(jì)與制造并行協(xié)同

在復(fù)雜電子裝備的研制過(guò)程中，以論證階段、方案階段、工程研制階段和設(shè)計(jì)定型階段4個(gè)階段為主線(xiàn)，工藝人員提早介入設(shè)計(jì)，對(duì)各級(jí)模型進(jìn)行不同深度的工藝評(píng)估、工藝審查、工藝設(shè)計(jì)、工藝修訂等，提早釋放設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)利于工藝及工裝設(shè)計(jì)的提前布局和方案制定，全面提高產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)效率。具體的設(shè)計(jì)與制造協(xié)同內(nèi)容如下：

1)論證階段：結(jié)構(gòu)方面構(gòu)建產(chǎn)品概念模型、工業(yè)造型，進(jìn)行多方案比較；工藝方面初步開(kāi)展關(guān)重件與風(fēng)險(xiǎn)件工藝可實(shí)現(xiàn)性評(píng)估，生產(chǎn)條件、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)成本評(píng)估，新技術(shù)、新工藝和新材料專(zhuān)題項(xiàng)目評(píng)估，工裝需求分析。

2)方案階段：結(jié)構(gòu)方面按產(chǎn)品研制要求構(gòu)建系統(tǒng)方案的布局模型，建立骨架模型并發(fā)布幾何、進(jìn)行工業(yè)造型設(shè)計(jì)、總裝與分系統(tǒng)三維模型設(shè)計(jì)，初步干涉檢查，識(shí)別關(guān)重件、長(zhǎng)線(xiàn)件、風(fēng)險(xiǎn)件；工藝方面進(jìn)行裝配單元?jiǎng)澐峙c關(guān)重件結(jié)構(gòu)工藝性分析，加工與裝配過(guò)程初步仿真，新技術(shù)、新工藝和新材料專(zhuān)題攻關(guān)，工裝初步設(shè)計(jì)，協(xié)同識(shí)別關(guān)重件、長(zhǎng)線(xiàn)件、風(fēng)險(xiǎn)件，協(xié)同排產(chǎn)順序。

3)工程研制階段：結(jié)構(gòu)方面構(gòu)建詳細(xì)設(shè)計(jì)骨架模型、系統(tǒng)總裝與分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)模型，詳細(xì)干涉檢查，標(biāo)識(shí)關(guān)重件、長(zhǎng)線(xiàn)件、風(fēng)險(xiǎn)件；工藝方面提供設(shè)計(jì)過(guò)程的工藝支撐，BOM結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)模型的結(jié)構(gòu)工藝性審查、三維工藝設(shè)計(jì)、加工及裝配過(guò)程仿真、工裝詳細(xì)設(shè)計(jì)及功能性能仿真，協(xié)同標(biāo)識(shí)關(guān)重件、長(zhǎng)線(xiàn)件、風(fēng)險(xiǎn)件。

4)設(shè)計(jì)定型階段：結(jié)構(gòu)方面根據(jù)仿真結(jié)果修正幾何模型，現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題更改，固化技術(shù)狀態(tài)， 定型文件數(shù)據(jù)模型支撐；工藝方面提出設(shè)計(jì)模型適應(yīng)批生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)工藝性改進(jìn)意見(jiàn)，進(jìn)行工藝規(guī)程的批生產(chǎn)性改進(jìn)。

為固化協(xié)同工作流程、明晰工作職責(zé)、建立工作標(biāo)準(zhǔn)，給出了結(jié)構(gòu)與工藝協(xié)同設(shè)計(jì)流程，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)與工藝協(xié)同設(shè)計(jì)流程

3.2.3 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)及其框架

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)，并基于Pro/E軟件和規(guī)范要求二次開(kāi)發(fā)了三維標(biāo)注、干涉檢查等工具；在工藝環(huán)節(jié)采用基于三維模型的設(shè)計(jì)方式，建立設(shè)計(jì)BOM向工藝BOM轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)和方法，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)流程，推行三維裝配工藝仿真的應(yīng)用；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)借助無(wú)紙化系統(tǒng)將三維模型和工藝傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)一步提高加工、裝配、檢驗(yàn)的工作效率；在檢驗(yàn)環(huán)節(jié)基于三維模型進(jìn)行三維檢驗(yàn)編程，提高檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性及工作效率?；谌S數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于全三維數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

3.3 協(xié)同仿真技術(shù)

3.3.1 仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬模型模擬產(chǎn)品的運(yùn)行狀況，在一定程度上代替物理樣機(jī)可大大縮短研制周期，減少物理樣機(jī)試驗(yàn)次數(shù)，提高新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)效率。

傳統(tǒng)以試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的串行設(shè)計(jì)流程已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代復(fù)雜電子裝備的設(shè)計(jì)要求，迫切需要轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡骝?qū)動(dòng)的并行協(xié)同研發(fā)模式。即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段，根據(jù)幾何模型的成熟度采取不同顆粒度的仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。通過(guò)持續(xù)的性能仿真驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代，使設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)在前期得到充分的暴露和排除。從傳統(tǒng)的依賴(lài)實(shí)物驗(yàn)證的大閉環(huán)單一優(yōu)化路徑到各個(gè)研制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)小閉環(huán)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)的并行協(xié)同設(shè)計(jì)流程轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D7所示。

圖7 試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向仿真驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變

3.3.2 協(xié)同仿真流程

借助于數(shù)字化樣機(jī)集成平臺(tái)，基于協(xié)同仿真流程，可實(shí)現(xiàn)快速的“設(shè)計(jì)—仿真—優(yōu)化設(shè)計(jì)”迭代，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在設(shè)計(jì)階段，參照全三維Top-Down協(xié)同設(shè)計(jì)，提出了如圖8所示的協(xié)同仿真流程。首先，設(shè)計(jì)端向仿真端發(fā)送仿真任務(wù)書(shū)和幾何模型，明確仿真任務(wù)要求，仿真團(tuán)隊(duì)在仿真過(guò)程中及時(shí)將仿真結(jié)果信息上載及更新，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議；同時(shí)，仿真總體也給其分系統(tǒng)下達(dá)協(xié)同仿真任務(wù)及要求，在保證仿真置信度的同時(shí)確保分系統(tǒng)的仿真模型提交給總體時(shí)可直接進(jìn)行模型裝配并用于系統(tǒng)級(jí)的仿真分析。這樣，既實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)端和仿真端的協(xié)同，也實(shí)現(xiàn)了仿真內(nèi)部總體與各分系統(tǒng)的協(xié)同，有效提高了系統(tǒng)級(jí)仿真和設(shè)計(jì)協(xié)同的效率。

圖8 設(shè)計(jì)階段協(xié)同仿真流程

在試驗(yàn)驗(yàn)證階段，可結(jié)合前期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段仿真結(jié)果分析試驗(yàn)參數(shù)的靈敏度、優(yōu)化傳感器布點(diǎn)位置等，制定試驗(yàn)大綱。在完成實(shí)物試驗(yàn)后，可通過(guò)采集的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并修正仿真模型，提高仿真模型置信度，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。試驗(yàn)階段協(xié)同仿真流程如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)驗(yàn)證階段協(xié)同仿真流程

3.3.3 協(xié)同仿真平臺(tái)及其框架

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDS)是管理產(chǎn)品相關(guān)信息(包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限信息等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程的技術(shù)。PDS雖然在管理幾何模型數(shù)據(jù)方面為科研生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的便利，但由于仿真數(shù)據(jù)的特殊性，無(wú)法在PDS中進(jìn)行有效管理。目前，大部分企業(yè)的仿真工作均存在仿真任務(wù)分配混亂、仿真數(shù)據(jù)無(wú)法管理、仿真過(guò)程不可追溯、仿真工具無(wú)集成、仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)對(duì)比等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了仿真協(xié)同工作的開(kāi)展，導(dǎo)致仿真發(fā)揮不出應(yīng)有的作用。

協(xié)同仿真平臺(tái)(SLM)對(duì)企業(yè)已有軟硬件和管理平臺(tái)進(jìn)行整合、開(kāi)發(fā)和接口對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真數(shù)據(jù)、仿真流程、仿真知識(shí)的有效管理。同時(shí)，通過(guò)與PDS及試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)TDM的接口管理，實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)—仿真—試驗(yàn)”的數(shù)據(jù)傳遞與對(duì)接。

協(xié)同仿真平臺(tái)框架如圖10所示，在平臺(tái)環(huán)境下，能方便實(shí)現(xiàn)多顆粒度、多工具、多部門(mén)、多學(xué)科的協(xié)同工作，有效提升協(xié)同仿真效率，做到“工欲善其事，必先利其器”。

圖10 協(xié)同仿真平臺(tái)框架

4 雷達(dá)結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)應(yīng)用實(shí)例

結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用貫穿了雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、制造的全流程。在雷達(dá)的前期設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)總體在全三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的支撐下，根據(jù)需求分析進(jìn)行系統(tǒng)布局規(guī)劃，采用Top-Down設(shè)計(jì)理念，依托基于骨架模型的協(xié)同設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)總體與分系統(tǒng)的快速協(xié)同；詳細(xì)設(shè)計(jì)階段依據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系執(zhí)行數(shù)字化樣機(jī)的全三維建模、全三維標(biāo)注、三維布管布線(xiàn)、以及虛擬裝配和干涉檢查等設(shè)計(jì)流程。在設(shè)計(jì)的同時(shí)，工藝端依據(jù)數(shù)字化樣機(jī)對(duì)各級(jí)模型進(jìn)行不同深度的結(jié)構(gòu)工藝性評(píng)估、審查和設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)與工藝并行協(xié)同。仿真端在設(shè)計(jì)的同時(shí)借助數(shù)字化樣機(jī)集成平臺(tái)，基于協(xié)同仿真流程，依據(jù)數(shù)字樣機(jī)模型的成熟度采取不同顆粒度的仿真進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速的“設(shè)計(jì)—仿真—優(yōu)化設(shè)計(jì)”迭代。在雷達(dá)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的全流程中，設(shè)計(jì)、工藝及仿真均嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)以設(shè)計(jì)為主軸，工藝圍繞設(shè)計(jì)并行協(xié)同，仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的螺旋進(jìn)化式的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程。最后基于雷達(dá)整機(jī)的結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到近乎真實(shí)的雷達(dá)產(chǎn)品，在虛擬系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)新研發(fā)雷達(dá)產(chǎn)品的可操作性、可維護(hù)性等性能的檢驗(yàn)。結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)從各方面在一定程度上替代了傳統(tǒng)的物理樣機(jī)[27-28]。

結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)結(jié)構(gòu)的力學(xué)、熱學(xué)仿真分析，三維布線(xiàn)、三維標(biāo)注、干涉檢查和維修性檢查、裝配以及虛擬現(xiàn)實(shí)等過(guò)程的具體應(yīng)用如圖11所示。

圖11 雷達(dá)結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的基礎(chǔ)研究和探索實(shí)踐，已將結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)研制的過(guò)程中，基于MBSE的全流程全三維協(xié)同研發(fā)模式，極大地提升了設(shè)計(jì)效率、驗(yàn)證效率，降低了研發(fā)成本，提升了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力。結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品研制過(guò)程中取得巨大成功，標(biāo)志著結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的成熟，可以向復(fù)雜電子裝備領(lǐng)域的其他產(chǎn)品推廣應(yīng)用。同時(shí)，結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在復(fù)雜電子設(shè)備領(lǐng)域的深入應(yīng)用在以下幾個(gè)方面還可以進(jìn)一步探索。

(1)數(shù)字化檢驗(yàn)技術(shù)[29-30]。

探索如何結(jié)合設(shè)計(jì)端的數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)與制造實(shí)物的快速對(duì)比檢驗(yàn)，比如數(shù)字化三維檢測(cè)技術(shù)，測(cè)試模型與設(shè)計(jì)模型的快速對(duì)比技術(shù)等。

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[31-34]。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電子裝備研發(fā)流程中發(fā)揮的作用有限，主要發(fā)揮了視覺(jué)體驗(yàn)方面的效果，后續(xù)需探索人員通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)去“真實(shí)”體驗(yàn)新研發(fā)的電子裝備可操作性、可維護(hù)性等。

(3)智能制造技術(shù)[35-37]。

全三維數(shù)字化樣機(jī)為復(fù)雜電子裝備的智能制造提供了良好的開(kāi)端，但如何高效有機(jī)地融合到智能制造系統(tǒng)中，充分發(fā)揮智能制造的效能，仍需進(jìn)一步深化研究。

(4)數(shù)字孿生 (Digital Twin)[40-41]。

Digital Twin也可以稱(chēng)為 “數(shù)字雙胞胎”，它是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。它將物理世界的參數(shù)，重新反饋到數(shù)字世界，從而可以完成仿真驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)調(diào)整。Digital Twin實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋，基于數(shù)字化模型進(jìn)行的各類(lèi)仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應(yīng)用，都能確保它與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的適用性。未來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)必將成為智能制造領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。

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