基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化

一、背景及发展趋势

1.1结构设计的发展趋势

  根据研究分析，我们可将产品结构设计发展的进程分为四个阶段

  ● 基于三维CAD的结构设计：利用三维CAD软件代替传统的二维图开展设计，使结构设计变得简单、直观；

  ● 基于三维CAD二次开发的结构快速设计：在三维CAD软件上进行二次开发、定制快速设计功能，实现由页面参数驱动三维模板，快速生成设计模型；

  ● 基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化：知识构件是一种更为先进的专家系统形态，其实质是基于软件构件化技术，实现的一系列可即插即用的执行自动化或半自动化知识型工作任务的软件应用程序，通过这种技术，建立设计、仿真快速迭代的协同设计环境；

  ● 智慧设计：是指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。

  随着社会的发展，当今市场对产品的要求越来越苛刻，产品更新换代越来越快、研发周期越来越短、可靠性要求越来越高，而企业又存在人员年轻化、更迭频繁、设计手段落后等问题，这些都对产品设计带来严峻的挑战。目前，各企业也都在有意识的去改变这种困境，广泛应用三维CAD、CAE软件，改进设计方法、开发各类辅助工具等，但从发展趋势来看，这仅仅只是一个起点，还不能达到设计“快速、高效、可靠”的最终目的。

1.2传统结构快速设计手段存在的问题

  传统结构快速设计，即基于三维CAD二次开发的结构快速设计，已经在提高建模效率、减少重复劳动方面有了较为显著的作用，但这种应用还属于较为简单的手段提升，局限性很大。我们需要认识到“设计≠建模”，从长远和全局来看，我们需要思考以下几个问题：

  ● 每个设计师都对自己的设计过程和方法充满自信，谁的更合理？

  ● 每个设计师都有自己的可重用数据，谁的适用性更好？

  ● 每个设计师积累的经验知识，是不是随着人员更迭在不断流失？

  ● 每个设计师的设计数据交付时，是不是只能通过工艺制造的反馈被动返工？

  ● 每个设计师都低头设计，如何保证数据信息的传递和交流的畅通？

1.3时代背景下结构设计的要求

  当前时代，结构设计早已不是单纯的建模出图，也不是根据已有参考稍作改进就可以轻松设计一个产品，而是需要真正的设计、有创新的设计、能够迅速响应市场的设计。这就需要企业在设计环境、设计方法、流程规范、知识积累等方面，整合已有的经验方法和资源，形成比较完善的研发体系，构筑能够统一协作的设计环境，实现基于知识构件的结构快速设计与仿真分析一体化。其具体要求如下：

  ● 实现流程固化统一

  ● 实现设计资源整合、规范、统一

  ● 实现知识积累沉淀

  ● 实现设计分析一体化

  ● 实现基于同一环境的协同设计

二、建设思路

  基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化结合，改变设计师以往的单机工作模式，通过一体化、集成化、模块化的平台构建架构，推动面向产品设计场景化的能力整合与应用。通过底层基础平台所提供的灵活业务编排能力，支持应用场景知识构件的快速构建；通过调用统一的基础资源，应用知识构件开展设计；通过知识推送和提醒，管控设计的质量。基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，其核心是将业务层面的内容转化为软件层面的应用，建设思路如下（以某航天产品为例）：

  1、首先，进行业务需求分析，将产品设计涵盖的环节、资源、数据等建立业务模型，明确构建设计与仿真一体化平台所需整合和融入的元素。

  2、其次，需要将产品设计的流程进行梳理，并统一固化下来，通过系统建设嵌入软件平台，让全体设计师遵循规范统一的设计流程。

  3、最后，需要将这些业务元素和业务流程进行分析，通过系统建设，转化为可基于软件平台进行交互操作的功能。

三、关键能力分析

3.1 导航引领设计

  在设计过程中，由过去的手工选择种类繁多的软件开展工作，转变为根据流程导航引领开展工作。

  1、系统平台将统一固化的设计流程呈现为任务导航，导航中的各环节对应具体的设计任务，并体现数据上下游传递和串并行关系。

  2、平台统一管理和集成各专业软件，软件与任务关联，设计师直接在对应任务页面启动软件开展工作，结果数据由平台统一管理。

3.2 便捷的资源库

  对于具体的设计任务，由过去总是从基础的重复劳动开始，转变为依托可重用的基础资源开展工作。建立包括模块模板库、计算模板库、规范知识库等的知识资源库，并通过对库数据的分类管理和搜索查询调用，为设计和分析提供基础数据支撑。

  1、模块模板库

  ● 梳理常用三维模型或几何的共性特征，建立规范统一的库，在设计任务时直接调用，参数化驱动生成所需的几何外形。

  ● 初始的三维模型由统一来源的模板产生，减少设计差异，提高产品的重用性，有利于企业产品标准化、模块化、系列化的形成。

  2、计算模板库

  ● 整合计算校核所用的公式、规则，建立统一认可的计算资源，在迭代设计时，减少设计师手工计算或临时编程的工作窘境，并可消除因人方法或思维不同带来的校核结果差异。

  ● 统一仿真分析工具、方法及规则，建立仿真分析模板资源，在设计分析循环迭代时，缩短从建模转化、定义边界、网格划分等基础工作开始的迭代周期，并避免不同仿真颗粒度造成的设计分歧。

  3、规范知识库

  整理常用标准文本、设计规范、操作指南、设计经验等，纳入知识库统一管理，降低设计参考时，知识散落各处、版本繁多、查询困难的不利局面。

3.3 资源推送和积累

  在设计过程中，每个设计任务都有对应所需的设计模板、计算公式、仿真模板、设计规范等，为提高设计的准确性、减少设计差异、提高设计自动化程度，系统平台实现资源按任务推送，并可根据需要将当前结果快速升级为知识库。

  1、三维设计时，根据初始条件，自动推荐设计模板。

  2、计算校核时，根据校核任务，自动推荐匹配的计算公式。

  3、利用模板资源衍生为新产品，当新产品具备重用性时，也可升级为知识库。

  4、设计过程中根据不同任务，关联推送不同规范知识，可参考查看。

3.4 设计分析一体化

  设计过程产生的数据需要及时验证，才能保证其准确性、合理性。将设计和仿真分析活动进行结合，有效对设计数据进行校核迭代，在设计初期发现问题，实现设计仿真一体化。

  1、设计流程中包含设计环节和分析环节，二者迭代进行，形成设计闭环。

  2、设计任务和分析任务根据流程任务分解开展，设计结果自动传递到分析环节，分析结果也可用于设计任务的判断和迭代。

3.5全面协同设计

  传统设计模式的最大问题是设计团队之间沟通不畅，形成信息孤岛，后期更改困难。建立全面统一的协同设计环境，可以使得设计师之间基于同一平台开展设计工作，保证信息的畅通、数据格式的一致、结果的实时呈现、专业间的快速汇总反馈等。

  1、基于系统平台中同一型号开展设计，设计任务由总体进行分发，不同角色任务之间通过平台流程和上下游关系，自动推送和继承设计条件。

  2、当设计发生变更时，关联的上下游任务将接收变更提醒，并根据提醒判断当前是否跟随更新。

  3、同一型号下各设计任务输出结果，将集中在门户看板呈现，团队成员可查看整体指标和其它相关数据，并参照进行迭代设计。

3.6高度可扩展性

  产品随着市场的需求是千变万化的，产品设计流程和基础资源也应相应调整、改进、增减，因此平台需具备高度可扩展性。

  1、平台提供灵活的扩展接口，企业可根据设计需要，对模板、公式、规则、规范等资源进行扩充。

  2、平台提供业务流程扩展功能，企业可根据设计需要，定义设计任务，修改、增加设计流程。

四、总结

4.1传统结构快速设计与基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化的对比

  通过关键能力分析可以得知，传统结构快速设计与基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化之间存在较大的差异。其主要表现在：

  1、基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，实现了设计流程的固化，保证了企业内部设计过程的规范统一，而传统结构快速设计仅仅是完整设计流程中的一个环节。

  2、基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，实现了设计资源的企业级统一，保证企业内部设计基础数据的来源一致，而传统结构快速设计基于单机应用，很难保证数据版本更新等问题。

  3、基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，实现了知识的沉淀和积累，将由于人员更迭而引起的经验、方法损失降低到最小，而传统结构快速设计仅仅是解决了快速建模问题，对于知识的重用并未涉及。

  4、基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，实现了设计与分析一体化，通过快速迭代保证了设计阶段数据的准确，而传统结构快速设计仅仅是减少了部分重复劳动，对设计结果并未进行有效的校验。

  5、基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，实现了统一设计环境的协同设计，保证了信息的畅通、数据格式的一致、结果的实时呈现、专业间的快速汇总反馈等，而传统结构快速设计还停留在个人单干的设计模式。

4.2 基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化的实施效益

  通过应用基于知识构件的结构快速设计与仿真一体化，将会给企业产品研发带来如下提升：

  1、消除重复设计、显著提高设计效率：消除了重复建立相近的装配结构、零部件模型等工作，一般可减少重复工作量50%～70%以上，从而显著地提高设计效率。

  2、设计方法导引，降低设计难度：设计人员在系统的导引下分步骤完成设计，使设计人员有更多的精力关注在设计上，而不是消耗在模型和特征的具体操作上，降低了对设计人员的要求。

  3、模型由系统产生，提高设计规范性：设计模型由统一的系统模板生成，而系统模板是经过优化建模的模型，因此可以保证系统设计生成模型的质量和规范化，消除了人为差异。

  4、提高设计自动化程度：将标准规范、设计经验和知识融入系统，植入经验算法或公式，在设计过程中进行知识推送，对不合理的参数进行自动校核。

  5、设计分析一体化：在整合现有结构分析流程的基础上，打通“设计→分析”及“分析←设计”的中间环节，真正意义上实现设计分析循环、迭代优化设计，最终提升整体的产品设计研发效率。

  6、缩短工程师培养时间：新员工使用系统按照规范的流程、方法进行设计，可防止设计失误，快速学习和提高，节省企业的培养成本。