數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)論課件

1、 第二講 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)論主講人陳立平學(xué)科（專(zhuān)業(yè)）概論1 制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵在于創(chuàng)新，設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的靈魂，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、方法和手段是發(fā)展我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。我國(guó)制造業(yè)的處于弱勢(shì)地位（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)以逆向設(shè)計(jì)為主，創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力弱于制造能力。（2）整機(jī)設(shè)計(jì)能力弱于零部件設(shè)計(jì)能力。（3）復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力弱于單純機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。（4）缺乏系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理論、方法和相關(guān)技術(shù)支撐，多“形似”、少“神似”。（5）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)方法為主，缺乏魯棒性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。（6）缺乏數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)的積累和重用，需要相應(yīng)的技術(shù)支撐平臺(tái)。2 20世紀(jì)50年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為工程設(shè)計(jì)、分

2、析和優(yōu)化技術(shù)帶來(lái)了全面的變革。 20世紀(jì)90年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM)為代表的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具CAX軟件在工業(yè)界得到廣泛普及，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，“數(shù)字化”作為顯著的時(shí)代技術(shù)特征初露端倪。 20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)更多地強(qiáng)調(diào)了基于多體系統(tǒng)(multibody system)的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、基于多學(xué)科協(xié)同(multi-disciplines colaberative)集成框架的優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于本構(gòu)融合的多領(lǐng)域物理建模(multi-domain physical modeling)及可重用機(jī)、電、液、控?cái)?shù)字化功能樣機(jī)的分析、研究與開(kāi)發(fā)

3、，并逐步形成新一代技術(shù)和平臺(tái)工具。在設(shè)計(jì)管理方面，形成產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)技術(shù)。3 21世紀(jì)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展的主線是多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合與滲透是，M3P已成為當(dāng)前技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的時(shí)代特征。 日趨復(fù)雜的現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品廣泛涉及航空航天、機(jī)電制造、能源和交通等重要行業(yè)，通常是集機(jī)械、電子、液壓、控制等多領(lǐng)域物理子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜大系統(tǒng)，多領(lǐng)域物理藕合和連續(xù)一離散混合的特性是其本構(gòu)描述的基本特征。因此，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新從理論、方法和技術(shù)工具三個(gè)層面對(duì)設(shè)計(jì)。42.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述 “數(shù)字化”是信息時(shí)代社會(huì)化的技術(shù)特征，信息時(shí)代的現(xiàn)代設(shè)計(jì)即數(shù)字化設(shè)計(jì)。（1）綜合

4、性 它是面向需求、綜合應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展成果的工程技術(shù)方法學(xué) “萬(wàn)金油”專(zhuān)業(yè)（2）多樣性 不同行業(yè)、不同領(lǐng)域產(chǎn)品需求、功能的差異性。（3）協(xié)同學(xué) 現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)往往是通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成的，協(xié)同性成為當(dāng)今數(shù)字化設(shè)計(jì)研究的重要課題（4）集成性 機(jī)電產(chǎn)品是由多領(lǐng)域（如機(jī)、電、液、控、熱等領(lǐng)域）物理功能部件的組合而成的，即模型集成。建模：幾何（結(jié)構(gòu)）建模二維繪圖功能建模三維實(shí)體造型 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)52.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述功能建模建立能表達(dá)對(duì)象功能、性能的模型，如位移、速度、加速度，力、應(yīng)力、應(yīng)變，流量、壓力，電流、電壓等特性參數(shù)實(shí)質(zhì)是將對(duì)象的物理特性映射為數(shù)學(xué)問(wèn)題：一組數(shù)學(xué)方程，分析與

5、仿真的內(nèi)核即是方程的求解。 大規(guī)模、穩(wěn)健、快速的數(shù)學(xué)求解是數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)關(guān)鍵的共性技術(shù)。 設(shè)計(jì)的最終目的是優(yōu)化，建模、分析是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 數(shù)字化設(shè)計(jì)發(fā)展：參數(shù)優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)的使能技術(shù)，是工程設(shè)計(jì)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、軟件技術(shù)和信息科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。它必定要承載現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)的理念、方法，通過(guò)數(shù)學(xué)過(guò)程，以軟件為存在形式，面向廣泛應(yīng)用，提升設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、集成化和智能化的能力和水平。62.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)IT技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)影響 20世紀(jì)80年代末：引人以C語(yǔ)言為宿主語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)ADS，進(jìn)一步提升了平臺(tái)的開(kāi)放性，工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人員

6、采用ADS技術(shù)，開(kāi)發(fā)了大量的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，成為支持二維應(yīng)用的通用平臺(tái)。20世紀(jì)90年代初：采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)重構(gòu)了平臺(tái)架構(gòu)，以C+為宿主語(yǔ)言，推出面向?qū)ο筮\(yùn)行時(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)ObjectARX（object AutoCAD runtime extension），成為具有良好開(kāi)放性和集成性成為功能強(qiáng)大的通用軟件平臺(tái)。 “資源可重用、系統(tǒng)可重構(gòu)”是嵌入式時(shí)代IT技術(shù)的重要理念標(biāo)簽， 展開(kāi)了具有時(shí)代特征的新技術(shù)研究與應(yīng)用： 面向服務(wù)（業(yè)務(wù)、模型）的架構(gòu)， SOA（services oriented architecture）、模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)（MDD）、模型驅(qū)動(dòng)的代碼自動(dòng)生成技術(shù)。 在嵌人式時(shí)代，機(jī)電產(chǎn)品的系統(tǒng)復(fù)

7、雜性進(jìn)一步提高，表現(xiàn)為機(jī)、電、液、控等多領(lǐng)域的高度集成與融合。：72.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)人工智能與數(shù)字化設(shè)計(jì) 過(guò)程式表達(dá)語(yǔ)言在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)占據(jù)了計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言的主導(dǎo)地位。被認(rèn)為更接近智能技術(shù)，因而陳述式表達(dá)和過(guò)程式表達(dá)成為考量一個(gè)系 統(tǒng)是否更靈巧的基本度量。 人工智能研究的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)約束滿(mǎn)足問(wèn)題（ CSP, constraint satisfaction problem ），即給定功能、結(jié)構(gòu)、材料及制造等方面的約束描述， 求設(shè)計(jì)對(duì)象的細(xì)節(jié)，引入人工智能新技術(shù)是不斷地提高數(shù)字化、設(shè)計(jì)的自動(dòng)化 與智能化水平的重要技術(shù)手段。 CAD 原意為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ computer a

8、ided-design ）， 由于 CAD 技術(shù)是以計(jì)算機(jī)輔 助二維繪圖、三維造型工具在工業(yè)界得到普及的， CAD 軟件的設(shè)計(jì)屬性被淡化，而更多地被定義為計(jì)算機(jī)輔助繪圖 (computer aided drafting ）。：102.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)（1）集成和協(xié)同1）雖然集成與協(xié)同經(jīng)常伴生出現(xiàn)，但它們是不同的兩個(gè)概念。集成是一種客 觀存在，與人元關(guān)。2）集成是可分解的，如子系統(tǒng)、子模塊、零部件等。 3）集成是工程領(lǐng)域的基本方法，并非源于信息技術(shù)。4）復(fù)雜產(chǎn)品是由不同功能元（部）器件組合而成的，而產(chǎn)品是模型集成。5）模型集成不等于信息集成，模型的內(nèi)涵和表現(xiàn)形式均高于

9、信息。 6）模型集成的科學(xué)依據(jù)是廣義基爾霍夫第一、第二定理。7 ）協(xié)同有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)屬性?！皡f(xié)”刻畫(huà)其動(dòng)態(tài)特性，即團(tuán)隊(duì)、群體間的協(xié) 作；“同”描述其靜態(tài)屬性，“同”即是一種約定、協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)，如互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議，機(jī)械工程中的各類(lèi)互換標(biāo)準(zhǔn)等。：112.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)（2）產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的組成與機(jī)理 北方交通大學(xué)查建中教授提出的 3V 設(shè)計(jì)空間描述方法1）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的三維空間 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可用以設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)進(jìn)程構(gòu)成的三維空間來(lái)表述，三個(gè)坐標(biāo)軸均嵌入一個(gè)子空間域，分別為對(duì)象域、方法域、進(jìn)程域。：對(duì)象域 由對(duì)象知識(shí)、對(duì)象數(shù)學(xué)、對(duì)象幾何構(gòu)成，其活動(dòng)的主體是工

10、程領(lǐng)域 專(zhuān)家和技術(shù)專(zhuān)業(yè)人員，面向需求，與工程行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)。方法域 由建模、分析、評(píng)價(jià)構(gòu)成，其活動(dòng)的主體是基礎(chǔ)學(xué)科的專(zhuān)家，其工作的主要目標(biāo)是為工程問(wèn)題提供基礎(chǔ)的、 共性的理論、方法和于段。122.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)3）對(duì)象知識(shí) 對(duì)象知識(shí)解構(gòu)為（數(shù)據(jù)（ data ），文檔（ document ），模型（ model） ）。 無(wú)論是科學(xué)研究還是工程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都是從定性到定量的過(guò)程。數(shù)據(jù)是定量的基本單位，大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理的研究數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。 文檔是人類(lèi)記錄知識(shí)、傳承知識(shí)、學(xué)習(xí)知識(shí)的主要于段，如書(shū)籍。文檔的處理在數(shù)字化設(shè)計(jì)體系是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)的基本 管理功能。 模型是一類(lèi)

11、表現(xiàn)形式 更加結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，特指產(chǎn)品的功能與行為描述，工程上通常以定理，規(guī)則，圖表描 述產(chǎn)品的功能與行為。對(duì)于一些復(fù)雜的功能部件如內(nèi)燃機(jī)，很難用定理、規(guī)則直接描述，通常通過(guò) 實(shí)驗(yàn)獲取。 162.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu) 模型集成是通過(guò)連接（ connectors ）實(shí)現(xiàn)的，連接是一種特殊的模型，接口是人為的，用于程序、模塊之間的信息（如數(shù)據(jù)、參數(shù)等），僅在邏輯上存在。連接是一種 物理存在。可以理解為機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)能量傳遞的端口。 模型集成（連接）的科學(xué)依據(jù)是基爾霍夫第一、第二定理，即系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的勢(shì)函數(shù)相 等；流經(jīng)節(jié)點(diǎn)的流函數(shù)之和等于零。172.2 幾何建模技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀

12、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)大致經(jīng)歷了幾何建模、實(shí)體建模和參數(shù)化特征建模等技術(shù) 階段，形成了特有的技術(shù)：幾何引擎（ ACIS, parasolid ）、幾何約束引擎 CD cubed ）、顯示引擎（hoops ）、特征編碼技術(shù)等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)不足：1）強(qiáng)于幾何設(shè)計(jì)，弱于功能設(shè)計(jì)，無(wú)論二維 CAD 軟件和三維 CAD 軟件均屬繪圖工具，還不能為產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)提供更多的輔助于段。2 ）強(qiáng)于信息集成，弱于模型集成，除提供幾何模型外，在產(chǎn)品功能建模和性能 優(yōu)化方面缺乏輔助能力。 二維平臺(tái)的主要產(chǎn)品AutoCAD 、Microstation 等，三維平臺(tái)的主要產(chǎn)品有 Catia 、Pro/E 、UG 、So

13、lidWorks 、SolidEdge 、Inventor。182.2 幾何建模技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀 三維參數(shù)化造型問(wèn)題：1）束縛于參數(shù)化過(guò)程，工程師主要精力耗于過(guò)程式參數(shù)化技術(shù)造型中。2 ）模型的修改必須符合參數(shù)造型規(guī)則，模型重構(gòu)的靈活性受到限制，全參數(shù)化 復(fù)雜模型的構(gòu)建很復(fù)雜，難度大，參數(shù)修改模型重構(gòu)經(jīng)常失敗。3）由于必須記錄造型的過(guò)程，導(dǎo)致模型文件龐雜，對(duì)于相同的零件，工程師以 不同造型方式產(chǎn)生的模型差異很大。4）三維平臺(tái)的造型歷史過(guò)程記錄被廠家視為核心機(jī)密，元法公開(kāi)，導(dǎo)致模型的 跨平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)非常困難。192.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) 對(duì)于以逆向開(kāi)發(fā)為

14、主的產(chǎn)品，面向分析 驗(yàn)證階段的 CAE 軟件比面向設(shè)計(jì)階段的 CAE 軟件重要，原因是在逆向設(shè)計(jì)中，各 種設(shè)計(jì)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值可以直接通過(guò)測(cè)繪目標(biāo)樣機(jī)得到，而后期的局部調(diào)整才是 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。2）技術(shù)路線比較 面向設(shè)計(jì)階段的CAE軟件用于依據(jù)行業(yè)設(shè) 計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)特定產(chǎn)品本構(gòu)作合理的簡(jiǎn)化抽象，注重把握宏觀特性，在操作流程 上從宏觀到微觀、從抽象到具體。 面向分析驗(yàn)證階段的CAE軟件與行業(yè)背景知識(shí)沒(méi)有直接關(guān)系，其理論來(lái)源于計(jì)算科學(xué)，其通常是相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)的軟件實(shí)現(xiàn)，具有良好的通用性。3）按數(shù)學(xué)特征分類(lèi)主機(jī)設(shè)計(jì)類(lèi) 該類(lèi)軟件用于將一個(gè)抽象的設(shè)計(jì)概念逐步具體化為產(chǎn)品的具 體拓?fù)錁?gòu)成，并在每一階段提出

15、較明確的量化指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行約束。其模型由 數(shù)量有限的解析或半解析的（圖表曲線插值）表達(dá)式構(gòu)成。232.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) 專(zhuān)用類(lèi) 用于在給定目標(biāo)性能的情況下，確定子系統(tǒng)或部件的設(shè) 計(jì)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值，或用于硬件在環(huán)仿真確定控制策略。其模型一般由解析的或 半解析的表達(dá)式構(gòu)成，但在必要情況下也可由數(shù)值模型構(gòu)成。法規(guī)校核類(lèi) 用于通過(guò)優(yōu)選某些設(shè)計(jì)參數(shù)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)滿(mǎn)足行 業(yè)法規(guī)，模型通常由較簡(jiǎn)單的解析或半解析表達(dá)式構(gòu)成。 面向分析驗(yàn)證階段的 CAE 軟件可分為：集中參數(shù)類(lèi) 模型的數(shù)學(xué)形式多為微分方程或微分代數(shù)方程組，多 用于多功能組件集成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析。分布參數(shù)

16、類(lèi) 工程中存在大量的場(chǎng)問(wèn)題，其模型本構(gòu)為偏微分方程，在計(jì)算固體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等數(shù)值計(jì)算科學(xué)中通常用 有限元或差分法將其離散為代數(shù)方程求解，分布參數(shù)類(lèi) CAE 軟件即多用于此類(lèi)計(jì) 算中。242.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) 4）應(yīng)用普及程度比較 面向設(shè)計(jì)階段的分析軟件沒(méi)有面向分析驗(yàn)證階段的軟件成熟、普及程度大，因?yàn)椋?合理構(gòu)造某類(lèi)產(chǎn)品的抽象模型存在一定的難度。許多行業(yè)的抽象模型尚不 成熟，如何構(gòu)造一系列的數(shù)學(xué)模型，使一個(gè)抽象的設(shè)計(jì)概念能逐步具體化為產(chǎn)品的具 體拓?fù)錁?gòu)成，并在每一階段都能提出較明確的量化指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行約束，有待深入研 究。 兩類(lèi)軟件的研發(fā)人員不同。研發(fā)

17、面向設(shè)計(jì)階段的 CAE 軟件的人員既要有 扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又要對(duì)行業(yè)自身的設(shè)計(jì)理論有深刻理解，其通常為行業(yè)內(nèi)的基礎(chǔ)研 究人員。此類(lèi)分析工具被視為企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，非特殊情況不做技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)瑢?duì)一些所謂的敏感技術(shù)甚至禁止轉(zhuǎn)讓?zhuān)绕鋵?duì)中國(guó)。目前提供設(shè)計(jì)分析技術(shù)的供應(yīng)商都有很強(qiáng)的工業(yè)背景 面向分析驗(yàn)證階段的 CAE 軟件通常是相關(guān)計(jì)算科學(xué)的軟件化，其研發(fā)人員由 專(zhuān)業(yè)的計(jì)算科學(xué)研究人員擔(dān)任，軟件通用性強(qiáng)，針對(duì)的市場(chǎng)面寬，多由軟件公司開(kāi)發(fā)， 因此得到普及。252.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) （2） 我國(guó)建模分析技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 我國(guó)工業(yè)長(zhǎng)期以“仿制”為主，實(shí)質(zhì)上是一種逆向設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致國(guó)

18、內(nèi)各行業(yè)將設(shè)計(jì)理論具體化為可操作的正向設(shè)計(jì)流程的能力較弱，國(guó)內(nèi)面向設(shè)計(jì)階段的 CAE 軟件開(kāi)發(fā)很少、軟件成熟度低，可持續(xù)發(fā)展能力弱。 由于我國(guó)企業(yè)長(zhǎng)期以逆向設(shè)計(jì)為主，因此首先被引進(jìn)國(guó)內(nèi)的是面向分析驗(yàn)證階段的 CAE 軟件。 面向分析驗(yàn)證 階段的 CAE 軟件的應(yīng)用比對(duì)面向設(shè)計(jì)階段的 CAE 軟件的應(yīng)用要廣泛和成熟，因此 導(dǎo)致一種傾向：試圖以“面向分析驗(yàn)證階段的 CAE 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)”的方式代替面 向設(shè)計(jì)階段的 CAE 軟件，達(dá)到實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)的目的，這可能是一種誤區(qū)：1）由于模型直接以產(chǎn)品的終端功能元件構(gòu)成，使得產(chǎn)品的本質(zhì)規(guī)律被淹沒(méi)在 繁復(fù)的外在細(xì)節(jié)規(guī)律中，不利于理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)。從目前的工程

19、實(shí)踐來(lái)看，通過(guò)優(yōu)化的方法所取得的效果十分有限。262.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) 2 ）對(duì)主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)下游供應(yīng)商的量化控制；在產(chǎn)業(yè)分工中，主機(jī) 廠下達(dá)給下游供應(yīng)商的是抽象的子系統(tǒng)性能指標(biāo)而不是終端元件的參數(shù)指標(biāo)。3）對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，不知道如何提高子系統(tǒng)的性能競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，子系 統(tǒng)終端元件的設(shè)計(jì)參數(shù)甚至拓?fù)錁?gòu)成是核心機(jī)密，元法預(yù)知子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)性能的影響。（3）模型集成的實(shí)施與實(shí)現(xiàn) 模型集成的實(shí)施與實(shí)現(xiàn)是今后數(shù)字化設(shè)計(jì)研究的重要方向。對(duì)于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)難以直接建模，多通過(guò)模 塊化分治（ division &. conquer ）實(shí)現(xiàn)，即自頂向下地將系統(tǒng)分

20、為子系統(tǒng)，直至元器件（組件），分解的基本原則是最終組件的機(jī)理通過(guò)定理、規(guī)則以及圖表可直接描述。 在 集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在模型描述方面制定了硬件描述標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言 VHDL-AMS ，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成電路 (IC）領(lǐng)域基于模型集成的模塊化設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)算。目前工業(yè)界依賴(lài)于不同軟件工具的模型很難以物理連接方式實(shí)現(xiàn)模塊集成。272.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) （4）基于接口的多領(lǐng)域建模方法 目前最為普遍的多領(lǐng)域建模方法是基于接口的方法。 首先利用某領(lǐng)域商用仿真軟件完成該領(lǐng)域模型的構(gòu)建，然后利用各個(gè)不同領(lǐng)域商用仿真軟件之間的接口，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模。 在仿真的時(shí)候，通常利用各領(lǐng)域商用仿真

21、軟件提供的協(xié)同仿真功能，實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域模型之間的協(xié)同仿真，即各模 型在仿真離散時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)程間通信等方法進(jìn)行相 互的信息交換，然后利用各自的求解器進(jìn)行求解。 典型的如機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS 提供了與控制系統(tǒng)仿真軟件 MATLAB/Simulink 、MATRIX 的接口，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)模 型和控制系統(tǒng)模型的協(xié)同仿真。282.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) （4）基于接口的多領(lǐng)域建模方法 基于商用軟件的多領(lǐng)域協(xié)同仿真具有基于接口的多領(lǐng)域建模方法的諸多缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。1）仿真軟件必須提供相互之間的接口以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模。如果某個(gè)軟件沒(méi)有 提供

22、與其他仿真軟件的接口，那它們就不能實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模；當(dāng)采用的商用仿真軟件 數(shù)目超過(guò) 3 個(gè)時(shí)，理論上要求的最大接口數(shù)目將變得非常龐大，復(fù)雜程度隨之增加。2 ）用以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模的接口，往往為某些商業(yè)公司所私有，它們不具有標(biāo)準(zhǔn) 性、開(kāi)放性，而且擴(kuò)充困難。（5）基于高層體系結(jié)構(gòu)的多領(lǐng)域建模方法 美國(guó)國(guó)防部范圍內(nèi)通用的仿真技術(shù)框架用來(lái)保證國(guó)防部范圍內(nèi)的各種仿真應(yīng)用之 間的互操作性。技術(shù)框架的核心就是高層體系結(jié)構(gòu)（ HLA, high level of architecture ）。 高層體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)將實(shí)現(xiàn)某種特定仿真目的的仿真系統(tǒng)稱(chēng)為聯(lián)邦（ federation ）。292.3 功能建模與分析技術(shù) 聯(lián)

23、邦由聯(lián)邦對(duì)象模型、若干聯(lián)邦成員（可以是真實(shí)實(shí)體仿真系統(tǒng)、構(gòu)造或虛擬仿真系 統(tǒng)以及一些輔助性的仿真應(yīng)用，如聯(lián)邦運(yùn)行管理控制器、數(shù)據(jù)收集器等）和運(yùn)行時(shí)間 支撐系統(tǒng)（ RTI, run time infrastructure ）構(gòu)成。正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) HLA 定義的聯(lián)邦系統(tǒng)是一個(gè) 開(kāi)放性的分布式仿真系統(tǒng)，具有系統(tǒng)可擴(kuò)展性。 HLA 的規(guī)則，聯(lián)邦成員之間的 數(shù)據(jù)通信必須通過(guò)運(yùn)行時(shí)間支撐系統(tǒng)（提供了一系列服務(wù)），以處理 聯(lián)邦運(yùn)行時(shí)成員間的互操作和管理聯(lián)邦的運(yùn)行。在這種結(jié)構(gòu)中，運(yùn)行時(shí)間支撐系統(tǒng) 從某種程度上來(lái)說(shuō)是一種“軟總線”，聯(lián)邦成員可以在聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)“插入”。302.3 功能建模

24、與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù) 基于高層體系結(jié)構(gòu)的多領(lǐng)域建模，建模人員首先利用不同領(lǐng)域商用仿真軟件完成該領(lǐng)域組件的建模，獲得相應(yīng)模型；各領(lǐng)域仿真模型采用基于高層體系結(jié)構(gòu)的方法將一個(gè)模型的輸 出變量映射到另一個(gè)模型的輸入變量上。1）利用不同領(lǐng)域商用仿真工具完成該領(lǐng)域子系統(tǒng)建模。2 ）將利用不同領(lǐng)域商用仿真軟件開(kāi)發(fā)的子系統(tǒng)模型劃分成不同的聯(lián)邦成員， 并確定每個(gè)聯(lián)邦成員可發(fā)布的對(duì)象類(lèi)以及相應(yīng)對(duì)象類(lèi)屬性。3）采用基于 HLA 的方法將一個(gè)模型的輸出變量映射到 另一個(gè)模型的輸入變量上，從而實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域模型的集成。4）為模型的每個(gè)輸出變量發(fā)布與之相映射的對(duì)象類(lèi)屬性，為模型的每個(gè)輸入 變量“定制”與之相映射的對(duì)象類(lèi)屬性，以實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行時(shí)不同領(lǐng)域模型之間的動(dòng)態(tài) 信息交換。312.3 功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流