多学科虚拟样机应用案例：复杂产品的优化方案

虚拟样机技术（Virtual Prototyping，VP）是一种崭新的产品开发方法，是基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。应用虚拟样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制的早期，在虚拟环境中形象直观地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，这对设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快产品开发周期具有重要意义。以下选取某重点型号飞行器起落架系统研发为案例，对复杂产品虚拟样机工程技术加以阐述。

起落架的综合性能设计涉及机械、控制、液压、强度等多专业、多部门，采用传统的设计分析方式其数据是分散的，缺乏有效的系统分析手段。引入复杂产品虚拟样机技术，利用各种计算机辅助工具进行产品的数字化设计仿真与工艺审核能够很好地解决以上不足。起落架系统主要由可视化模型、控制系统模型、多体动力学模型、液压模型等组成，需使用多种虚拟样机设计工具，如液压系统设计工具EASY5、动力学设计工具ADAMS、控制系统设计工具MATLAB和外形三维设计工具CATIA等。应用系统的结构组成见图6.25，系统中各子系统的作用及所需建模工具软件见表6.1。

图6.25　起落架应用系统的结构组成

表6.1　协同仿真应用系统的结构组成

虚拟样机仿真与生产制造一体化的应用流程见图6.26，包括起落架复杂系统建模及项目任务分解、产品单学科建模仿真（结构建模、气动性能设计、环境建模等）、产品多学科协同仿真、工艺审签、车间生产作业排产仿真及执行、全年生产任务调度仿真6个部分。

图6.26　虚拟样机仿真与生产制造一体化的应用流程

图6.26所示的具体流程如下所述。

1.起落架复杂系统建模及项目任务分解

用户通过远程交互应用方式可以动态地、快速地选择和使用“高层建模工具”建立起落架系统模型，并使用项目管理工具对分系统任务进行描述，完成系统整体建模，见图6.27。

图6.27　起落架复杂系统建模框架

图6.27中的系统高层建模与优化即为高层建模工具，它采用一类基于模型/知识的多领域统一建模技术，提供顶层建模语言（见图6.28），对复杂飞行器起落架系统中的各类多学科异构模型进行顶层统一建模，可视化地对仿真系统的拓扑结构、子系统模型的组成、子系统之间连接关系和子系统调用逻辑顺序，以及模型运行环境的需求信息进行建模描述。

图6.28　高层建模工具

2.产品单学科建模仿真

子系统的建模涉及的是产品单学科建模仿真，是各专业建模仿真设计人员利用本身的专业知识，使用远程交互应用方式定制得到商用的分系统建模与仿真工具，并利用它们建立各个子系统的专业领域模型，包括控制系统建模、结构建模、气动分析、大气环境建模等（见图6.29）。

图6.29　子系统的专业领域模型

3.产品多学科协同仿真

各子系统模型建立后，需要对系统整体性能进行协同仿真，利用多学科协同仿真与VV&A工具验证产品设计整体性能。多学科协同仿真工具使用模型库存储任务描述过程中生成的顶层建模文件、子系统模型描述文件、仿真成员模型和专业软件模型；用户通过B/S结构的网页门户，提交仿真任务运行所需的高层建模文件和模型文件；使用资源管理中间件完成仿真环境解析与自动构建；利用协同仿真引擎，根据高层建模所建立的状态机模型来组合、调度各类仿真资源服务，驱动仿真系统的协同运行；运行过程汇总，基于协同仿真容错技术完成虚拟机热迁移，以平衡资源利用率；同时，使用实验数据管理系统，在用户使用仿真平台结束后，将平台运行过程中产生的数据进行统计分析，完成结果分析和仿真评估（见图6.30）。

图6.30　虚拟样机协同仿真的运行实例

4.工艺审签

装配验证与工艺审签是针对各部件设计模型进行的。通过使用基于三维模型的设计生产一体化工具和柔性工作流技术完成不同模式的审签，并驱动工艺审签各子任务的执行。

5.车间生产作业排产仿真及执行

车间生产作业排产仿真及执行包括以下几个方面：使用三维工厂管理工具，对全企业生产资源做可视化建模与统一监控管理；根据生产任务，使用车间作业排产工具合理安排生产进度；可进一步对数控机床等设备做工序及仿真，确保产品的加工过程按计划执行。

6.全年生产任务调度仿真

全年生产任务调度仿真的目的是为了验证企业加工能力及采购计划是否满足全年生产计划，使用的手段为基于能力的全年生产任务调度仿真工具和多项目任务的粗能力分解，

通过上述例子可知，复杂产品多学科虚拟样机技术的使用能够有效地支持多学科在系统层次上的耦合，支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行、协同地进行设计、分析和评估。