第二講

數字化設計技術導論主講人《學科（專業）概論》1

制造業競爭力的關鍵在于創新，設計是創新的靈魂，先進的設計理論、方法和手段是發展我國先進制造技術的關鍵。我國制造業的處于弱勢地位（1）產品設計以逆向設計為主，創新設計能力弱于制造能力。（2）整機設計能力弱于零部件設計能力。（3）復雜機電產品設計能力弱于單純機械產品設計能力。（4）缺乏系統的先進設計理論、方法和相關技術支撐，多“形似”、少“神似”。（5）產品開發以傳統常規設計方法為主，缺乏魯棒性設計、優化設計手段。（6）缺乏數據、經驗、知識的積累和重用，需要相應的技術支撐平臺。221世紀計算機輔助產品開發技術發展的主線是多學科、多領域的融合與滲透是，M3P已成為當前技術研究、開發和應用的時代特征。

日趨復雜的現代機電產品廣泛涉及航空航天、機電制造、能源和交通等重要行業，通常是集機械、電子、液壓、控制等多領域物理子系統于一體的復雜大系統，多領域物理藕合和連續一離散混合的特性是其本構描述的基本特征。因此，復雜機電產品的創新從理論、方法和技術工具三個層面對設計。42.1數字化設計技術解構數字化設計簡述功能建模——建立能表達對象功能、性能的模型，如位移、速度、加速度，力、應力、應變，流量、壓力，電流、電壓等特性參數實質是將對象的物理特性映射為數學問題：一組數學方程，分析與仿真的內核即是方程的求解。大規模、穩健、快速的數學求解是數字化設計基礎關鍵的共性技術。設計的最終目的是優化，建模、分析是優化設計的基礎數字化設計發展：參數優化、尺寸優化、形狀優化、拓撲優化。數字化設計技術是現代設計學的使能技術，是工程設計學、應用數學、軟件技術和信息科學等多學科交叉融合的產物。它必定要承載現代設計學的理念、方法，通過數學過程，以軟件為存在形式，面向廣泛應用，提升設計的自動化、集成化和智能化的能力和水平。62.1數字化設計技術解構IT技術的發展對數字化設計技術影響

20世紀80年代末：引人以C語言為宿主語言的二次開發技術ADS，進一步提升了平臺的開放性，工程領域專業人員采用ADS技術，開發了大量的專業應用，成為支持二維應用的通用平臺。20世紀90年代初：采用面向對象技術重構了平臺架構，以C++為宿主語言，推出面向對象運行時開發技術ObjectARX（objectAutoCADruntimeextension），成為具有良好開放性和集成性成為功能強大的通用軟件平臺。“資源可重用、系統可重構”是嵌入式時代IT技術的重要理念標簽，展開了具有時代特征的新技術研究與應用：面向服務（業務、模型）的架構，SOA（servicesorientedarchitecture）、模型驅動的設計（MDD）、模型驅動的代碼自動生成技術。在嵌人式時代，機電產品的系統復雜性進一步提高，表現為機、電、液、控等多領域的高度集成與融合。：72.1數字化設計技術解構IT技術的發展對數字化設計技術影響工程技術是多學科綜合技術，有明顯的時代性，數字化設計是以計算機為載體、以IT應用為表現形式的關于工程設計的技術。計算機技術的發展可以用4I概括：20世紀50至60年代：交互（interactive）——交互式設計20世紀60至70年代：智能（intelligence）——智能設計20世紀70至80年代：集成（integration）——集成設計、計算機集成制造系統之后：互聯網（internet）——基于互聯網的協同設計IT技術在經歷了PC時代、Windows時代、Internet時代后，已步人嵌人式時代，甚至物聯網時代—所謂軟件無處不在，芯片無處不在，軟、硬件高度集成的時代。AutoDesk公司的AutoCAD的發展歷程：20世紀80年代初：集成化、智能化設計需求驅動下，AutoCAD較早嵌入曾經被譽為人工智能語言的LISP，形成宿主語言AutoLISP。：82.1數字化設計技術解構人工智能與數字化設計人工智能（AI）是軟件技術發展的理論基礎，人工智能力圖通過符號計算，實現陳述式描述的人工系統（包括問題、約束、規則等）的自動演繹、推理和求解。

人工智能系統技術特點：陳述式、自適應、自組織、自學習。對于人工生命，還應當包括自復制，比如病毒程序。

陳述式（declarative)機制和過程式（procedural)機制是兩類相對應的表達機制。前者僅描述事實和規則，元關計算機的執行序列，強調基于客觀事實的自動推理求解；后者則相反，依藏算法式的規程實現問題的求解，其實質是計算機執行指令集。

陳述式的理論基礎為一階邏輯謂詞（

LISP、Prolog）和約束滿足問題（VHDL-AMS、Modelica）。20世紀70至80年代，人工智能研究以通用問題求解器（GPS,generalproblemsolver）為命題，開展了大量理論和應用研究，許多領域專家系統（ES,expertsystem）都是以邏輯謂詞語言為宿主語言，其派生的技術成果得軟件更加智能化。：92.1數字化設計技術解構產品集成協同開發的解構（1）集成和協同1）雖然集成與協同經常伴生出現，但它們是不同的兩個概念。集成是一種客觀存在，與人元關。2）集成是可分解的，如子系統、子模塊、零部件等。3）集成是工程領域的基本方法，并非源于信息技術。4）復雜產品是由不同功能元（部）器件組合而成的，而產品是模型集成。5）模型集成不等于信息集成，模型的內涵和表現形式均高于信息。6）模型集成的科學依據是廣義基爾霍夫第一、第二定理。7）協同有動態和靜態兩個屬性。“協”刻畫其動態特性，即團隊、群體間的協作；“同”描述其靜態屬性，“同”即是一種約定、協議或標準，如互聯網TCP/IP協議，機械工程中的各類互換標準等。：112.1數字化設計技術解構產品集成協同開發的解構（2）產品集成協同開發的組成與機理

北方交通大學查建中教授提出的3V設計空間描述方法1）產品開發的三維空間

產品開發可用以設計對象、設計方法、設計進程構成的三維空間來表述，三個坐標軸均嵌入一個子空間——域，分別為對象域、方法域、進程域。：對象域——由對象知識、對象數學、對象幾何構成，其活動的主體是工程領域專家和技術專業人員，面向需求，與工程行業領域相關。方法域——由建模、分析、評價構成，其活動的主體是基礎學科的專家，其工作的主要目標是為工程問題提供基礎的、共性的理論、方法和于段。122.1數字化設計技術解構產品集成協同開發的解構進程域——由進程環境、進程硬件、進程模式構成，其活動的主體是信息技術領域的專家。產品集成協同開發的七個方面a）集成〈對象域〉

以領域專家為主，面向行業需求實現各專業知識的積累、共享和重用，幾何模型與知識模型的融合，知識模型的數學映射。b）集成〈方法，工具〉

以基礎科學（如數學）專家為主，以IT為手段，實現基礎理論工具化；面向工程應用，實現工具間數據集成。c）進程協同集成

以系統動力學為基礎，以IT技術為手段，面向企業及企業間，實現各類業務過程（進程）的有效協同與集成。d）集成〈知識，工具〉

著重解決在通用工具平臺中嵌入知識的問題，使工具更加智能化，知識自動生成專業工具。e）集成〈工具，進程〉

基于數據庫和工作流等技術，將工具及其數據集成應

用，如產品

數據管理技術等。132.1數字化設計技術解構產品集成協同開發的解構

對象幾何：對象幾何以實體的幾何表達NURBS和幾何布爾運算為標志。對象數學：科學研究的模式大致為發現問題，弄清機理，通過建立一套簡捷的符號形式——數學描述，再現機理。f）集成〈知識，進程〉

如何在企業乃至企業間產品研發的過程中有效地發現知識、共享知識、重用知識以及管理知識，是知識工程關鍵的使能技術，是理論探索的重要課題。g）集成〈知識，工具、進程〉

終極目標，物聯網時代需要全面審視研究域間的協同集成。2）對象域

對象域直接與工程應用相關，是數字化設計技術體系的重要組成部分。知識及知識處理（知識發現、知識表達、知識共享、知識重用等）是對象域的主要研究內容。142.1數字化設計技術解構產品集成協同開發的解構目前在工程技術領域所涉及的數學形式大致如下。代數方程（AE,algebraicequation) 如牛頓第二定理、機構運動學方程，以及在機械工程中大量的傳統的計算公式等。微分方程（DE,differentialequation) 如牛頓第一定理、質點系振動方程等。偏微分方程（PDE,partialdifferentialequation) 在實際工程問題中，存在大量與連續空間相關的各類物理場問題，如應力應變場、熱擴散、流場、等，其本構均表現為偏微分方程形式。離散事件方程

復雜機電裝備產品是多學科功能器件的綜合集成，既有連續變化的過程，復雜機電裝備系統通常為連續離散混合的非線性動態系統。

152.1數字化設計技術解構產品集成協同開發的解構

模型集成是通過連接（connectors）實現的，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（如數據、參數等），僅在邏輯上存在。連接是一種物理存在。可以理解為機電系統內能量傳遞的端口。

模型集成（連接）的科學依據是基爾霍夫第一、第二定理，即系統節點的勢函數相等；流經節點的流函數之和等于零。172.2幾何建模技術的現狀與發展技術現狀

計算機輔助設計技術大致經歷了幾何建模、實體建模和參數化特征建模等技術階段，形成了特有的技術：幾何引擎（ACIS,parasolid）、幾何約束引擎CDcubed）、顯示引擎（hoops）、特征編碼技術等。計算機輔助設計技術不足：1）強于幾何設計，弱于功能設計，無論二維CAD軟件和三維CAD軟件均屬繪圖工具，還不能為產品功能設計提供更多的輔助于段。2）強于信息集成，弱于模型集成，除提供幾何模型外，在產品功能建模和性能優化方面缺乏輔助能力。

二維平臺的主要產品AutoCAD、Microstation等，三維平臺的主要產品有Catia、Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge、Inventor。182.2幾何建模技術的現狀與發展技術現狀

三維參數化造型問題：1）束縛于參數化過程，工程師主要精力耗于過程式參數化技術造型中。2）模型的修改必須符合參數造型規則，模型重構的靈活性受到限制，全參數化復雜模型的構建很復雜，難度大，參數修改模型重構經常失敗。3）由于必須記錄造型的過程，導致模型文件龐雜，對于相同的零件，工程師以不同造型方式產生的模型差異很大。4）三維平臺的造型歷史過程記錄被廠家視為核心機密，元法公開，導致模型的跨平臺協同設計非常困難。192.2幾何建模技術的現狀與發展與過程無關的計算機輔助設計技術

2008年UGS.SolidEdgev18推出同步建模技術，實現了VGX（variationalgeometryextended）的技術目標。德國CoCreate公司也于20世紀初推出了與過程無關的造型系統OneSpace。2000年SolidWorks公司開發出Spaceclaim。未來計算機輔助設計技術及其應用的發展趨勢：1）輕量化、靈巧化輕量化

結構簡單，模型輕便，設計計算量至少為現有技術的1/20，便于網絡傳輸和協同工作。靈巧化

秉承Windows理念，幾乎不用專門培訓。2）模型可重用，跨平臺

大大弱化了模型與平臺的相關性。此類CAD軟件可以從其他平臺“拷貝”、“粘貼”三維特征，用于再設計。3）向下游拓展延伸

解除了參數化與特征的依藏關系，同時也解除了特征與過程的關系，計算機輔助設計非過程化（陳述性）的技術發展，為三維CAD軟件向產品研發的下游拓展延伸提供了技術可能。202.3功能建模與分析技術

建模分析與仿真軟件通常稱為計算機輔助工程（CAE,computeraidedengineering）軟件。正向設計的一般流程與建模分析技術

212.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

（1）計算機輔助工程技術應用現狀分析

正向設計分析流程可大致分為設計階段與分析驗證階段。與之相對應，CAE軟件可分為兩大類：面向設計階段的CAE軟件，如Carsim、Romax、ve-DYNA等；面向分析驗證階段的CAE軟件，如Adams、有限元軟件等。1）應用比較

面向設計階段CAE軟件以目標性能為輸入，輸出下一級子系統的目標性能或部件的設計參數的初步設計值，分析軟件使用者是設計工程師，其職責為把握產品開發的大方向，并為各種設計參數提供初步設計值。

以正向開發為主的產品，面向設計階段的CAE軟件的重要性比面向分析驗證階段的CAE軟件更為重要。

面向分析驗證階段的CAE軟件以系統或部件的詳細設計參數初步設計值為輸入，輸出系統或部件的仿真性能，通過優化調整設計初值。

CAE軟件使用者是分析工程師。模型參數來源于試驗，因此驗證分析工作需要試驗工程師的配合。222.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

專用類

用于在給定目標性能的情況下，確定子系統或部件的設計參數的初步設計值，或用于硬件在環仿真確定控制策略。其模型一般由解析的或半解析的表達式構成，但在必要情況下也可由數值模型構成。法規校核類

用于通過優選某些設計參數使產品設計指標滿足行業法規，模型通常由較簡單的解析或半解析表達式構成。

面向分析驗證階段的CAE軟件可分為：集中參數類

模型的數學形式多為微分方程或微分代數方程組，多用于多功能組件集成系統的動態分析。分布參數類

工程中存在大量的場問題，其模型本構為偏微分方程，在計算固體力學、計算流體力學等數值計算科學中通常用有限元或差分法將其離散為代數方程求解，分布參數類CAE軟件即多用于此類計算中。242.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

4）應用普及程度比較

面向設計階段的分析軟件沒有面向分析驗證階段的軟件成熟、普及程度大，因為：

合理構造某類產品的抽象模型存在一定的難度。許多行業的抽象模型尚不成熟，如何構造一系列的數學模型，使一個抽象的設計概念能逐步具體化為產品的具體拓撲構成，并在每一階段都能提出較明確的量化指標對模型進行約束，有待深入研究。

兩類軟件的研發人員不同。研發面向設計階段的CAE軟件的人員既要有扎實的理論基礎，又要對行業自身的設計理論有深刻理解，其通常為行業內的基礎研究人員。此類分析工具被視為企業核心競爭力，非特殊情況不做技術轉讓，對一些所謂的敏感技術甚至禁止轉讓，尤其對中國。目前提供設計分析技術的供應商都有很強的工業背景

面向分析驗證階段的CAE軟件通常是相關計算科學的軟件化，其研發人員由專業的計算科學研究人員擔任，軟件通用性強，針對的市場面寬，多由軟件公司開發，因此得到普及。252.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

2）對主機廠來說，不利于實現對下游供應商的量化控制；在產業分工中，主機廠下達給下游供應商的是抽象的子系統性能指標而不是終端元件的參數指標。3）對供應商來說，不知道如何提高子系統的性能競爭力；對供應商來說，子系統終端元件的設計參數甚至拓撲構成是核心機密，元法預知子系統對整機性能的影響。（3）模型集成的實施與實現

模型集成的實施與實現是今后數字化設計研究的重要方向。對于復雜機電系統難以直接建模，多通過模塊化分治（division&.conquer）實現，即自頂向下地將系統分為子系統，直至元器件（組件），分解的基本原則是最終組件的機理通過定理、規則以及圖表可直接描述。

在集成電路設計領域，在模型描述方面制定了硬件描述標準語言VHDL-AMS，實現了大規模集成電路(IC）領域基于模型集成的模塊化設計自動計算。目前工業界依賴于不同軟件工具的模型很難以物理連接方式實現模塊集成。272.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

（4）基于接口的多領域建模方法

目前最為普遍的多領域建模方法是基于接口的方法。

首先利用某領域商用仿真軟件完成該領域模型的構建，然后利用各個不同領域商用仿真軟件之間的接口，實現多領域建模。

在仿真的時候，通常利用各領域商用仿真軟件提供的協同仿真功能，實現不同領域模型之間的協同仿真，即各模型在仿真離散時間點，通過進程間通信等方法進行相互的信息交換，然后利用各自的求解器進行求解。

典型的如機械多體動力學仿真軟件ADAMS提供了與控制系統仿真軟件MATLAB/Simulink、MATRIX的接口，可以實現機械多體動力學模型和控制系統模型的協同仿真。282.3功能建模與分析技術聯邦由聯邦對象模型、若干聯邦成員（可以是真實實體仿真系統、構造或虛擬仿真系統以及一些輔助性的仿真應用，如聯邦運行管理控制器、數據收集器等）和運行時間支撐系統（RTI,runtimeinfrastructure）構成。正向設計的一般流程與建模分析技術

HLA定義的聯邦系統是一個開放性的分布式仿真系統，具有系統可擴展性。

HLA的規則，聯邦成員之間的數據通信必須通過運行時間支撐系統（提供了一系列服務），以處理聯邦運行時成員間的互操作和管理聯邦的運行。在這種結構中，運行時間支撐系統從某種程度上來說是一種“軟總線”，聯邦成員可以在聯邦運行過程中隨時“插入”。302.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

（6）多領域物理統一建模規范語言及建模技術簡介面向復雜機電系統的多領域建模與仿真技術的研究：

歐洲仿真協會（EUROSIM）為代表提出的多領域、連續－離散混合物理建模語言Modelica，采用面向對象技術進行模型描述，實現模型可重用及系統可重構、可擴展的先進構架體系，體現了知識積累與重用的現代設計理念，適合于不同工程領域的系統建模和多領域復雜系統的統一建模與協同仿真，符合嵌入式時代IT技術“資源可重用、系統可重構”的面向服務的架構（SOA）技術理念。2006年9月CATIA宣布以Modelica為核心標準實現“知識嵌入（knowledgeinside）”，歐盟亦推出其建模基礎計劃EUROSYSLIB/ITEA2，以Modelica為模型表達標準，構建涵蓋各工業領域基礎器件的模型庫。Modelica完全免費開放，資源共享。

開展基于Modelica語言的多領域物理系統統一建模理論與仿真技術研究，有利于我國更快加入到國際合作研究隊伍之列，更有效地獲取國際資源。322.3功能建模與分析技術正向設計的一般流程與建模分析技術

（6）多領域物理統一建模規范語言及建模技術簡介2001年，華中科技大學CAD中心率先在亞太地區開展了基于Modelica的相關基礎理論與應用研究，基于Modelica進行了多領域物理系統混合建模實驗性平臺開發。

科技部將多領域物理系統統一建模技術列入“863計劃”，并于2008年設立了相關的重點項目“機械系統動力學CAE平臺”，項目總體目標是：研究、掌握、推廣Modelica建模技術，參與Modelica相關標準制定；形成基于Modelica的機電液控櫚合系統模型、機械零部件結構分析與優化模型的統一表達規范；突破機械系統動力學CAE平臺核心關鍵技術，開發具有完全自主知識產權的機械系統動力學CAE平臺，內嵌機電液控捐合系統動力學分析、機械零部件結構分析及優化模塊；重點針對工程機械行業形成示范