面向多学科协同开发领域的集成建模方法

为实现复杂产品研发过程中不同学科的信息共享,消除系统集成、协同仿真和系统优化的障碍,提出了基于本体元模型的数字化样机构建方法.分析了基于本体元模型的多领域集成建模的可行性,利用统一建模语言的扩展模型构建了本体的元模型核心包;基于本体理论分析了复杂产品协同开发领域的概念及其关系,构建了多学科协同领域信息集成框架;基于本体元模型建立了涵盖产品定义信息、研发方法信息和研发流程信息的数字化样机模型,支持产品在研发过程中的多抽象层次演化、多粒度层次分解和多学科协调优化,控制复杂产品的整个研发过程.以有源相控雷达为例对所提方法进行了说明.     

支持模型驱动开发的飞控系统数字样机设计

针对飞控系统设计面临的各种问题,研究了一种基于图形化建模语言、支持模型驱动开发的飞控系统数字样机设计技术。基于Rhapsody,STATEMATE,Simulink等搭建了用于飞控系统数字样机设计的支撑平台,研究了基于支撑平台的飞控系统数字样机设计流程及数字样机的四个不同侧面;以一小型无人机飞控系统为例,详细介绍了其数字样机设计,并进行了两个层次的检查和仿真验证。设计实践表明该方法能有效缩短设计时间,提高设计质量,支持后期软件的模型驱动开发,适用于各类飞行器控制系统数字样机的设计。     

面向高速列车轮对仿真设计的数据集成模型研究

针对复杂产品研发过程中由于设计模型与分析模型分离而使研发效率低的问题,提出一种整合几何特征信息和有限元仿真信息的数据集成模型实现CAD模型和CAE模型中数据的关联及交互;在此基础上,通过辨识CAD中具有工程语义的特征信息,实现可控的CAE模型简化、有限元网格划分和工况定义。以高速列车轮对为对象,基于此数据集成模型实现CATIA V5几何模型设计信息和ANSYS有限元模型信息的集成交互,验证了数据集成模型的正确性与实用性。     

基于联结信息的机构设计过程建模

提出了运动链单元和联结单元的概念,基于联结思想系统分析了机构设计过程中涉及的设计信息和意图,给出了单元关联图的构建方法,以功能联结信息、联结关联信息、几何联结信息为基础建立机构设计过程模型,对机构的重用设计及创新设计予以支持。     

基于知识模板的复杂产品设计重用方法研究

为实现复杂产品设计知识的莺用,提出了基于面向对象技术的知识模板概念.用统一建模语言建立了复杂产品设计阶段的功能-行为-结构模型.通过功能分解和结构映射,将功能信息和向何信息集成封装在一个类模板中.基于功能域、行为域和结构域三个映射域,设计了功能分解算法,从而形成可重用知识.知识模板通过组成模板的静态和动态知识提取并加以综合获得,利用相似度数值的计算进行模板的选择与匹配.最后以叉车产品功能分解和结构映射所形成的知识模板,说明了所提出的设计重用方法的实际应用.     

支持并行设计的维修性模型及其实现

为使装备具有良好的可维修性,提出了支持并行维修性设计的总体框架,分析了实现这一目标的关键和瓶颈技术———建立集成的产品维修性信息模型;以集成产品装配信息模型为基础,建立了集成的维修性信息模型,并讨论了与过程模型的集成;选择Pro/Intralink作为产品数据管理平台,分析了支持并行维修性设计集成环境的实现,包括基本环境的配置、主信息模型的建立、设计流程的定义与管理;以一种维修性分配工具的开发与集成验证了论文提出的方法。     

面向机械装备节能设计的能耗信息描述与集成

清晰描述能耗构成,表达能量信息与设计信息之间的映射关系是实施机械装备节能设计的基础。在分析机械装备运行过程能耗因素的基础上,提出一种开放的能量信息描述模型——能量分解结构(Energy breakthrough structure,EBS),并建立设计-能量信息集成模型以表达设计信息的能量特征。EBS是一种结构化的能量描述模型,由一系列相互联系的能量要素构成,支持多层次的能量建模,上一层与下一层能量要素之间的关系既可以基于运行过程建立,也可以基于产品结构、能量转换及损耗关系等建立,能够适应多角度的能耗分析需求。设计-能量信息关联模型将关联两个信息域的问题转换为描述设计信息的物理和力学特性的问题,通过在EBS基础上提取力、位移、压力、流量等能量特征,并映射相关的几何特征、运动特征、动力特征等设计特征,实现能量信息和设计信息的本质关联。最后以重型板式给料机为例分析了模型及方法的有效性。     

面向MDO的复杂产品多学科视图建模技术

提出了面向MDO的复杂产品多学科视图建模技术,给出以主模型为导向的多学科并行建模技术路线。通过建立复杂产品设计过程的层次分解与映射模型,分析产品组成的多学科性;给出多学科并行的设计方法,以实现各学科子系统功能的独立性;通过多学科视图建模的一致性规则及多模型的协同运行策略,解决冲突的协调问题;采用面向对象方法,建立起多学科视图建模技术的层次实现结构;基于优化技术与CAD/CAE的技术集成,实现多模型协同仿真与优化。该技术应用于汽车车身的多学科建模与仿真优化,实现了设计信息的动态交互与多学科共享,有效改进了产品设计水平,提高了产品的设计效率。     

复杂产品多学科虚拟样机顶层建模语言研究

为了在复杂产品虚拟样机开发过程的不同阶段,以及在工具和部门之间更加准确地描述系统的顶层模型,提出了一种描述多学科虚拟样机顶层系统结构、行为和内部相互关系的系统顶层建模语言。在顶层建模语言中,把系统模型划分为静态结构模型和动态行为模型。为了顶层建模语言的扩展,定义了顶层建模的统一建模语言特征;采用基于可扩展标记语言的数据交换格式,规范顶层建模在不同工具间的信息传递;顶层建模语言遵从模型驱动体系结构的思想,从面向编程平台、通信平台和工具平台映射成为模型的实现。简要介绍了顶层建模语言的实现工具——顶层建模集成开发环境。最后,给出了计算机生成的武装兵力系统的例子,说明了顶层建模语言对复杂产品虚拟样机建模的有效性。     

模型驱动复杂机电系统软件与物理并行概念设计

并行设计是机电一体化系统概念设计的重要发展趋势,而软件作为复杂机电系统的重要组成部分,其早期设计通常与物理子系统串行开展,这极大限制了软件设计空间并导致严重的早期设计缺陷。为在复杂机电系统概念设计阶段实现软件与物理子系统的并行设计,提出了一种基于SysML的模型驱动软件与物理并行概念设计方法。将基于流的物理功能表示与基于数据/控制流图的软件功能表示相结合,提出了基于SysML的混合功能模型,通过该模型驱动软件与物理子系统设计的并行开展。在物理设计方面,基于功能效应匹配及时序规则模板实现带隐含时序约束的工作原理检索与筛选;在软件设计方面,基于分布式控制应用设计模式提出软件组件及其行为模型自动生成方法。最后,以移动机器人系统为例,展示了复杂机电系统软件与物理并行概念设计过程。     

机电联合建模在直驱伺服系统设计中的应用

为了缩短直驱伺服系统设计周期,并保证所设计的系统的性能满足设计指标要求,提出了一种直驱伺服系统机电联合建模方法。以典型的直驱伺服系统为例,叙述了该建模方法的实现过程。建立了直驱伺服系统的动力学理论模型和基于Recurdyn和Matlab的机电联合仿真模型,在不同条件下对机电联合仿真模型进行了时域和频域仿真分析,并对仿真结果与系统实际测试结果进行了对比。结果表明：系统开环时域与频域仿真结果与实验结果基本吻合,幅频匹配度大于83%,相频匹配度大于73%,时域匹配度大于89%。得到的结果验证了提出方法的有效性和正确性,表明利用该方法可在设计过程中对设计方案进行性能预测,提高设计效率。     

复杂机电装备控制系统的三维图形仿真

提出一种基于三维CAD模型的机电系统仿真方法,以建立并验证控制系统的拓扑结构和控制逻辑。同时,通过基于三维模型的运动学仿真,可以发现复杂机电系统中的机械设计问题。仿真系统中编写的控制程序,只需要进行少量改动,就可以直接应用到实际设备中。运用该仿真系统可以显著缩短复杂机电装备的开发周期。     

复杂机械产品虚拟样机多学科设计优化研究

为了以尽可能高的效率求得复杂机械产品虚拟样机尽可能优的设计方案,提出了一种将多学科设计优化方法与计算机仿真分析相结合的虚拟样机优化设计模式。通过将多学科设计优化方法应用于虚拟样机的并行设计过程,构建了虚拟样机的多学科设计优化集成平台,由多学科优化来驱动设计分析进程,形成虚拟样机集成的闭环自动迭代优化设计过程。针对汽车设计,给出了虚拟样机多学科设计优化的集成分析流程,同时利用虚拟样机的动态特性显示,直观地表现出复杂产品多学科设计优化过程中设计方案的变化。     

基于仓库管理的中小机电企业信息集成技术

通过分析现阶段国内机电企业的生产特点,提出了一种基于仓库管理的中小机电企业的信息集成管理框架。将企业信息管理系统、调度系统、仿真系统和仓库自动化系统进行了有效集成,研究了总体的信息集成框架,进一步分析了企业信息管理系统、调度系统和仿真系统的框架。讨论了基于映射的货品-货位耦合分配策略、基于任务分解的调度策略等CIMS关键技术原理、方法及其实现步骤。面向中小机电企业的信息集成体系在一家机电企业的实际实施表明,它可使企业的供应、生产、销售和服务水平大为提高。     

Decomposition method of complex optimization model based on global sensitivity analysis

The current research of the decomposition methods of complex optimization model is mostly based on the principle of disciplines, problems or components. However, numerous coupling variables will appear among the sub-models decomposed, thereby make the efficiency of decomposed optimization low and the effect poor. Though some collaborative optimization methods are proposed to process the coupling variables, there lacks the original strategy planning to reduce the coupling degree among the decomposed sub-models when we start decomposing a complex optimization model. Therefore, this paper proposes a decomposition method based on the global sensitivity information. In this method, the complex optimization model is decomposed based on the principle of minimizing the sensitivity sum between the design functions and design variables among different sub-models. The design functions and design variables, which are sensitive to each other, will be assigned to the same sub-models as much as possible to reduce the impacts to other sub-models caused by the changing of coupling variables in one sub-model. Two different collaborative optimization models of a gear reducer are built up separately in the multidisciplinary design optimization software iSIGHT, the optimized results turned out that the decomposition method proposed in this paper has less analysis times and increases the computational efficiency by 29.6%. This new decomposition method is also successfully applied in the complex optimization problem of hydraulic excavator working devices, which shows the proposed research can reduce the mutual coupling degree between sub-models. This research proposes a decomposition method based on the global sensitivity information, which makes the linkages least among sub-models after decomposition, and provides reference for decomposing complex optimization models and has practical engineering significance.     

产品设计与仿真的集成信息模型与异构信息转化技术研究

针对目前产品设计与仿真分析系统之间的信息难以共享与重用,影响仿真效率等问题,提出了产品设计与仿真的集成信息模型与异构信息转化技术.分析了产品设计与仿真集成信息模型的结构组成,研究了三维几何建模系统、多体动力学系统、有限元分析系统,以及知识管理各系统之间的信息集成和数据转化技术,实现了产品设计与仿真分析的综合信息的集成.该方法已在产品开发中得到应用.     

A new symbolic representation method to support conceptual design of mechatronic system

Regarding the typical mechatronic system that realizes controlled motion behaviour as the research object, the mechatronic system is composed of three subsystems, they are generalized executive mechanism subsystem, sensing and testing subsystem, and information processing and control subsystem. Based on the three subsystems, a new kind of symbolic representation method to represent a design scheme of mechatronic system is presented. This symbolic representation method includes graphical symbols, literal symbols and port information flows on the abstract layer of basic mechatronic function units in common use. Two applied instances are given. The method standardizes scheme representation of mechatronic system. The purpose is that the computer can identify and operate the standardized scheme representation. Furthermore, the method can be implemented in connection with related knowledge base to produce creative scheme. The symbolic representation method provides theoretical basis for computer aided conceptual design of mechatronic system.     

Transforming Multidisciplinary Customer Requirements to Product Design Specifications

With the increasing of complexity of complex mechatronic products,it is necessary to involve multidisciplinary design teams,thus,the traditional customer requirements modeling for a single discipline team becomes difficult to be applied in a multidisciplinary team and project since team members with various disciplinary backgrounds may have different interpretations of the customers’requirements.A new synthesized multidisciplinary customer requirements modeling method is provided for obtaining and describing the common understanding of customer requirements(CRs)and more importantly transferring them into a detailed and accurate product design specifications(PDS)to interact with different team members effectively.A case study of designing a high speed train verifies the rationality and feasibility of the proposed multidisciplinary requirement modeling method for complex mechatronic product development.This proposed research offersthe instruction to realize the customer-driven personalized customization of complex mechatronic product.     

OPTIMIZATION METHOD FOR VIRTUAL PRODUCT DEVELOPMENT BASED ON SIMULATION METAMODEL AND ITS APPLICATION

Virtual product development (VPD) is essentially based on simulation. Due to computation-al inefficiency traditional engineering simulation software and optimization methods are inadequate toanalyze optimization problems in VPD. Optimization method based on simulation metamodel forvirtual product development is proposed to satisfy the needs of complex optimal designs driven byVPD. This method extends the current design of experiments (DOE) by various metamodeling tech-