CIMS-B5-工程分析優(yōu)化

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)技術(shù)

——工程分析與綜合優(yōu)化設(shè)計CIMS（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）西北工業(yè)大學(xué)許建ujx@CIMS提綱概念、技術(shù)和功能1數(shù)字化設(shè)計2數(shù)字化管理4數(shù)字化制造3集成與協(xié)同5結(jié)束語6提綱計算機(jī)輔助工程分析1產(chǎn)品概念優(yōu)化設(shè)計2多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化實(shí)例4多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化3計算機(jī)輔助工程分析計算機(jī)輔助工程分析（CAE），泛指通過計算機(jī)系統(tǒng)提供的強(qiáng)大計算和分析工具，對產(chǎn)品模型進(jìn)行工程分析計算、校核和仿真模擬的技術(shù)。借助于CAE，可取代相當(dāng)部分的傳統(tǒng)物理試件和試驗(yàn)，設(shè)計者能夠更快捷、更容易地判斷所設(shè)計的產(chǎn)品功能、性能和各種指標(biāo)的優(yōu)劣，進(jìn)行設(shè)計方案的校驗(yàn)、評價分析和仿真優(yōu)化，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)某些物理實(shí)驗(yàn)難以做到的分析評價及仿真，減少了物理試驗(yàn)及試件的制作，從根本上改變了傳統(tǒng)設(shè)計中依賴試湊、類比和定性分析的原始作法，實(shí)現(xiàn)迅速、直觀、準(zhǔn)確的量化評價和預(yù)測。重要的是：借助于計算機(jī)輔助工程分析，能夠在設(shè)計的早期，依據(jù)科學(xué)預(yù)測與數(shù)值分析，提高了設(shè)計的決策水平和能力。目前，計算機(jī)輔助工程分析多應(yīng)用在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)靜動力學(xué)分析、裝配件結(jié)構(gòu)分析；變形裝配件公差分析、氣動分析、流場分析等。CAE（1）應(yīng)力分析應(yīng)力分析可用來改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計或工藝設(shè)計。一般先建立結(jié)構(gòu)件的三維幾何模型，根據(jù)應(yīng)力分析的要求，簡化有限元分析模型和進(jìn)行網(wǎng)格劃分，妥善解決CAD模型與CAE模型的數(shù)據(jù)交換問題，在CAE軟件中通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行模擬加載的變形分析，調(diào)整CAD中的結(jié)構(gòu)設(shè)計。CAE（2）運(yùn)動學(xué)分析分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動，檢查干涉碰撞，驗(yàn)證系統(tǒng)、零部件的動力學(xué)性能，例如在高速運(yùn)動下的振動和變形等。CAECAE熱分析CAE計算機(jī)輔助氣動分析CFD與流場分析CAE計算機(jī)輔助氣動分析CFD與流場分析提綱計算機(jī)輔助工程分析1產(chǎn)品概念優(yōu)化設(shè)計2多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化實(shí)例4多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化3產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品的概念設(shè)計是形成產(chǎn)品的創(chuàng)造性階段，概念設(shè)計的目標(biāo)是根據(jù)用戶需求，定義、設(shè)計出一個新的產(chǎn)品方案。概念設(shè)計對降低用戶采購、使用維護(hù)等費(fèi)用具有決定性的影響。在概念設(shè)計時，對產(chǎn)品的約束最少，各種可能的選擇也最多。分析表明，在產(chǎn)品開發(fā)早期設(shè)計階段若增加小量投入（全生命周期費(fèi)用的1~2%）以提高開發(fā)產(chǎn)品的決策水平與能力，可大幅度降低生命周期的總費(fèi)用（超過25%）。提高開發(fā)產(chǎn)品的決策水平與能力需要系統(tǒng)綜合分析、設(shè)計優(yōu)化方法與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合，稱之為系統(tǒng)綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)。產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)波音公司的一個有關(guān)統(tǒng)計：飛機(jī)生命周期總成本由開發(fā)成本（占20%）、采購成本（占32%-主要由設(shè)計和制造費(fèi)用構(gòu)成）和使用與服務(wù)成本（占48%）三部分組成。節(jié)點(diǎn)2以前相當(dāng)于完成原理型樣機(jī)的概念設(shè)計階段，從粗實(shí)線表示的曲線可知，相當(dāng)于飛機(jī)生命周期總成本的80%以上已經(jīng)受概念設(shè)計和之前的設(shè)計決策的影響而成為定局，而此時，實(shí)際上真正耗費(fèi)掉的費(fèi)用只有生命周期總費(fèi)用的10%左右（點(diǎn)劃線表示的曲線），節(jié)點(diǎn)2以后飛機(jī)開發(fā)和生產(chǎn)制造等所做的工作，對生命周期總成本的影響程度不大?？梢?，無論是從飛機(jī)總體性能、品質(zhì)，或者是從飛機(jī)開發(fā)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)等過程的總體來看，早期需求分析與概念設(shè)計是提高飛機(jī)品質(zhì)和降低全生命周期費(fèi)用的最關(guān)鍵階段，是應(yīng)該從管理和技術(shù)上進(jìn)行改革和創(chuàng)新的、最具潛力的空間。產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品，基本上都是復(fù)雜的工程系統(tǒng)，因此產(chǎn)品的系統(tǒng)總體方案設(shè)計，即概念設(shè)計，是涉及多學(xué)科的綜合、分析、設(shè)計優(yōu)化的創(chuàng)新過程，要考慮產(chǎn)品的全面性能品質(zhì)、成本和時間進(jìn)度等，同樣，部件和一些關(guān)鍵零件也有概念設(shè)計的問題，例如航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)、渦輪部件、葉片零件的設(shè)計都要考慮氣動、熱力、結(jié)構(gòu)、成本等的系統(tǒng)綜合設(shè)計問題。根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜性理論，復(fù)雜系統(tǒng)的總體表現(xiàn)是在一定環(huán)境和約束條件下，系統(tǒng)內(nèi)多個子系統(tǒng)互相作用的結(jié)果，表現(xiàn)為各子系統(tǒng)間互相適應(yīng)而達(dá)到的一種綜合平衡的健壯穩(wěn)態(tài)。具體地說，在進(jìn)行復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計時，需要根據(jù)性能需求和約束，設(shè)計出具有最佳狀態(tài)表現(xiàn)的系統(tǒng)總體參數(shù)，同時設(shè)計出構(gòu)成這個總體的、有著各自性能表現(xiàn)特點(diǎn)的、互相作用的各個子系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)一般在概念設(shè)計開始時，根據(jù)主要性能要求作一個初始的設(shè)計，建立一個初始的模型。之后在初始模型的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)、分析計算、改進(jìn)和完善，逐步滿足多目標(biāo)所要求的復(fù)雜程度，逐步接近最終產(chǎn)品總體目標(biāo)的要求，直至原型機(jī)試驗(yàn)滿意，完成原型機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計。上述系統(tǒng)設(shè)計的方法，可以形象地表示為系統(tǒng)綜合設(shè)計優(yōu)化的方法，也就是產(chǎn)品概念設(shè)計的系統(tǒng)方法，系統(tǒng)設(shè)計方法的實(shí)踐過程是綜合、分析與決策反復(fù)迭代螺旋上升的過程。產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)首先是建立一個具有初始設(shè)計參數(shù)描述系統(tǒng)的模型（目標(biāo)產(chǎn)品），然后應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法（MDO），進(jìn)行系統(tǒng)與子系統(tǒng)的分析和設(shè)計優(yōu)化計算，獲得系統(tǒng)與子系統(tǒng)的新設(shè)計參數(shù)值，用以修改前次模型中的設(shè)計參數(shù)值而得到目標(biāo)產(chǎn)品的新模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)和分析后，再次修改模型中設(shè)計參數(shù)，再進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，直至獲得一個經(jīng)過仿真分析驗(yàn)證、具有優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的最終的產(chǎn)品設(shè)計為止。這種綜合設(shè)計優(yōu)化的過程符合系統(tǒng)工程中系統(tǒng)的定義過程。產(chǎn)品概念設(shè)計與綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)綜合設(shè)計優(yōu)化的方法與信息技術(shù)相結(jié)合，成為用于輔助綜合設(shè)計優(yōu)化的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，包括有下述四方面的方法與技術(shù)：建立產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)的優(yōu)化模型，一般表示為參數(shù)化形式的數(shù)學(xué)模型，描述設(shè)計變量與系統(tǒng)行為狀態(tài)的函數(shù)關(guān)系，以系統(tǒng)的行為優(yōu)化為前提，求得對應(yīng)的設(shè)計變量。優(yōu)化模型描述了產(chǎn)品行為，是概念設(shè)計階段上描述產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)中關(guān)鍵組成部分。仿真，設(shè)置環(huán)境條件，觀察、分析所設(shè)計的系統(tǒng)行為狀態(tài)，分析設(shè)計變量的可行性，提供決策的判斷。數(shù)字化仿真用各種工程應(yīng)用的計算機(jī)輔助工程分析的軟件來進(jìn)行。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法MDO，表示在多個學(xué)科設(shè)計空間進(jìn)行分析和優(yōu)化計算?？捎眠m用的計算機(jī)輔助優(yōu)化計算軟件進(jìn)行；綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的信息集成平臺,用來提供對綜合設(shè)計優(yōu)化過程的集成管理功能，包括了建立和管理設(shè)計過程、數(shù)字樣機(jī)的管理、工具軟件和其他資源的管理，平臺還提供通訊等其他服務(wù)的功能等。提綱計算機(jī)輔助工程分析1產(chǎn)品概念優(yōu)化設(shè)計2多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化實(shí)例4多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化3多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MultidisciplinaryDesignOptimization,縮寫為MDO）方法，是通過研究復(fù)雜工程系統(tǒng)和子系統(tǒng)交互影響協(xié)同作用，應(yīng)用于復(fù)雜工程系統(tǒng)與子系統(tǒng)的分析與設(shè)計的方法。這種系統(tǒng)設(shè)計方法，有著分析、綜合權(quán)衡和選擇最優(yōu)的作用，同時它又是一種數(shù)值計算方法，就是說，MDO是通過數(shù)值計算來進(jìn)行多學(xué)科問題的分析、綜合權(quán)衡和求解選優(yōu)的?，F(xiàn)代多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法在工程應(yīng)用上，正在發(fā)展成為一種比較完整的系統(tǒng)工程技術(shù)，功能上有：優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立、優(yōu)化規(guī)劃、數(shù)值計算與分析、優(yōu)化結(jié)果仿真試驗(yàn)分析、設(shè)計結(jié)果數(shù)值的可靠性分析、設(shè)計變量優(yōu)化選擇決策等。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用于工程系統(tǒng)的設(shè)計，使作出的設(shè)計決策能依據(jù)于數(shù)值計算與仿真分析的科學(xué)基礎(chǔ)，這在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)方法與技術(shù)上，是一個質(zhì)的進(jìn)步，大大提高了設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率，降低了開發(fā)成本。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化優(yōu)化計算過程為：建立優(yōu)化模型后，先利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法（DOE）進(jìn)行優(yōu)化值的初始選取，然后再選擇更合適的優(yōu)化方法計算，將結(jié)果送入仿真程序分析結(jié)果的可行性。目前已有一些商用軟件可以進(jìn)行計算機(jī)輔助優(yōu)化計算（CAO），應(yīng)用時，如需要，可以采用多種方法從技術(shù)上解決CAD、CAE、CAO軟件之間的數(shù)據(jù)交換或共享問題,例如建立集成的CAD/CAE產(chǎn)品模型，或建立CAD、CAE模型之間的直接轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)的集成或轉(zhuǎn)換,設(shè)計模型參數(shù)直接與CAD、CAE、CAO等模型中的參數(shù)交換等。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，在國外已有10年以上的歷史，取得了明顯重要的效果。例如,GE公司GE90渦扇發(fā)動機(jī)的設(shè)計（1992年），應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計，使總體性能有明顯的改善。該設(shè)計用了4周時間研究分析建立優(yōu)化模型，兩個星期進(jìn)行計算，將原有7級低壓渦輪減少為6級渦輪。減輕了發(fā)動機(jī)重量和制造成本，仍保持了原定發(fā)動機(jī)的性能。為此，每臺發(fā)動機(jī)節(jié)約了材料與制造費(fèi)用25萬美元，同時減輕了200-250磅重量，相當(dāng)于減少1%的燃油消耗率，效果顯著。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化航空發(fā)動機(jī)葉片設(shè)計是典型的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化問題，要考慮將氣動-機(jī)械-熱-壽命-制造等多目標(biāo)的要求于一體。航空發(fā)動機(jī)葉片的一般設(shè)計流程中，有葉片的幾何形狀設(shè)計、熱力學(xué)分析、氣動分析及結(jié)構(gòu)分析，需要使用CAD工具設(shè)計幾何形狀，有限元（FEM）軟件分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還要將氣動力學(xué)軟件工具（CFD）和熱分析軟件一起聯(lián)合應(yīng)用，并應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化計算軟件MDO進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化計算，完成葉片的設(shè)計。普惠公司（Pratt&Whitney）等應(yīng)用MDO軟件與葉型幾何設(shè)計軟件、氣動分析軟件（CFD，即仿真分析）等集成，自動地進(jìn)行葉型設(shè)計，保證了葉型多目標(biāo)設(shè)計的綜合優(yōu)化，大大提高了設(shè)計、制造新型葉片的效率多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于集成的系統(tǒng)綜合設(shè)計優(yōu)化時，需要根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計過程，與其它設(shè)計、分析、制造等應(yīng)用工具相結(jié)合集成應(yīng)用，建立綜合設(shè)計優(yōu)化的信息集成環(huán)境。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化美國DD-21項(xiàng)目是在概念設(shè)計階段應(yīng)用綜合設(shè)計優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行一個新武器系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)的項(xiàng)目。該項(xiàng)目于1995年啟動，1998年開始進(jìn)入開發(fā)階段，1998-1999年間有兩家公司參與競爭合同，各自進(jìn)行需求分析，確定DD-21驅(qū)逐艦的系統(tǒng)和支援系統(tǒng)的具體需求。在2000-2001年間，這兩家公司各自進(jìn)行了概念設(shè)計，建立描述DD-21系統(tǒng)行為的數(shù)字樣機(jī)“SPM”，2001-2004年間通過對各自開發(fā)的DD-21SPM的試驗(yàn)、驗(yàn)證，最后選擇了與洛克希德·馬丁公司（Lookheed.Martin）簽定合同，開展全面的詳細(xì)設(shè)計。按計劃，將于2004-2008年間，以每年建造三艘的進(jìn)度，并行地進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計與制造，至2009年完成組建32艘DD-21級的艦隊。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化“聯(lián)邦智能產(chǎn)品環(huán)境”FIPER（FederatedIntelligentProductEnvironment）項(xiàng)目是美國GE公司[等在1999-2003.12期間所承擔(dān)的美國商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST（NationalInstituteofStandardandTechnology）先進(jìn)計劃中的一個項(xiàng)目，目的是適應(yīng)“企業(yè)-企業(yè)”（BusinesstoBusiness）的電子商務(wù)，建立先進(jìn)的工程設(shè)計環(huán)境，在從需求分析到設(shè)計、制造的全過程中，推動多學(xué)科分析與優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用。其主要研究和開發(fā)的技術(shù)內(nèi)容圍繞“過程集成與產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化”（ProcessIntegrationandDesignOptimization）的需求，發(fā)展聯(lián)邦式的異地分布合作智能產(chǎn)品環(huán)境支持產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化。FIPER工程背景對象是GE公司的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計。FIPER項(xiàng)目所發(fā)展的分布、合作智能產(chǎn)品環(huán)境，可使進(jìn)行中的設(shè)計工作通過網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確地訪問存儲在模型數(shù)據(jù)庫里的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使參加綜合設(shè)計的成員在不同的工作地點(diǎn)能夠交互地進(jìn)行合作。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化建立航空發(fā)動機(jī)