產品數字化設計與驗證技術發展綜述

劉鵬飛 朱興高 欒家輝 代永德 陳維良

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

1 引言

數字化是在設計、分析、制造和試驗過程中，以數字樣機為核心，以單一數據源管理為紐帶，以數字信息的生產、修改、傳輸、使用、分析、儲存等為基礎，以數字信息為統一的數據依據進行設計、制造和試驗[1,2]。產品數字化設計是面向產品從設計、分析、制造、裝配到維護、銷售、服務等全生命周期各個環節的無紙化設計，其核心是設計過程中各種信息的離散化[1]。數字化技術實現了現實物理系統在全生命周期內對數字模型的反饋，以保證數字與物理世界的協調。

數字化發展的背景是信息技術的快速發展和普及，數字化的快速發展提高了生產力和生活質量，促進了社會的進步和經濟的發展。數字化發展階段包括計算機技術的發展、互聯網的興起、人工智能技術的崛起。從最初的計算機技術到現在的互聯網和人工智能，數字化已經深入到各行各業中，是現代社會不可缺少的一部分。在航空航天領域，依托數字化技術，建設航空航天產品的數字化平臺成為產業發展的大趨勢。數字化技術可以有效地彌補航天產品子樣少、地面及實際運行試驗數據相對缺乏的劣勢，提高分析產品可靠性的精確性。

本文圍繞國內外先進協同設計模式、數字化建模與仿真軟件、數字化仿真驗證的相關技術與流程、國外先進仿真方法等內容，探討了產品數字化設計與驗證技術的發展現狀。目前，產品數字化設計與驗證已成為提升設計水平、提高研制效率的重要技術，依托數字化技術，產品的研制與生產周期將大幅度縮短，產品制造精度將穩步提升，質量將大幅改善，成本將明顯降低。

2 產品數字化設計

產品數字化面向全生命周期的各個環節，從設計、分析、制造、裝配到維修、銷售、服務等過程[3]。數字化設計的所有資料都是用數字的方式表達，在計算機上完成了所有的設計、預裝和模擬試驗等工作。將自然界中的物理現象、模糊的不確定現象、人的經驗技巧等離散化，再進行數字化處理，就可以很好地實現這一技術[4,5]。在數字化設計中比較成熟的領域之一是CAD。CAD 技術的概念最早是在1950年由美國麻省理工學院提出的。隨著后期技術的成熟，CAD 已成功應用于美國航空業。其中，CAD/CAM 繪圖軟件最早由洛克希德馬丁飛機制造公司研發。20世紀70年代，美國和歐洲等發達國家都開始積極研究飛機數字化設計和制造技術。隨后，產品數字化設計技術已經具備良好的基礎，能夠使先進數字化制造技術得以實現[6]。近年來，國產CAD 技術快速發展，安懷信自主研發了SPIDER 協同管控平臺，可實現全生命周期模型管理、SYSML/CAD/CAE 工具和模型集成、系統參數模型構建、系統工程研制過程協同等功能。中望CAD、CAXA、浩辰CAD、堯創CAD、緯衡CAD、CrownCAD 等均具有自主知識產權，并具有強大的作圖功能，眾多國產軟件的涌現和發展充分體現了國內數字化設計技術水平的提升。

隨著數字化技術的發展，國外基本實現了以波音、空客為代表的飛機設計制造全面數字化，使飛機的設計制造水平有了很大的提高，使行業內的資源和設計制造能力得到了充分利用，其作用是十分明顯的[7,8]。以下三個方面體現了產品數字化設計的應用特點。第一，數字化設計改變了產品的研制模式。在現代飛行器的設計過程中，由原來基于實物樣機的串行方式演變為基于數字樣機的并行方式，以便于實現多學科的協同設計。產品設計協同工作不需要集中辦公，而是分布在不同的工作地點，通過網絡實現產品的數字化交互設計。1984年格里夫和卡什曼提出的現代產品設計中，計算機所支持的數字化協同工作發揮了十分重要的作用。為了開發能夠支持分布式協同的系統，歐洲開展了EspritII 計劃的相關項目[9]。波音公司在產品研制過程中采用了“抓兩頭”式的數字化分布協同工作模式，其負責飛機總體設計和對接總裝，向零部件制造單位移交工作量極其繁重的細節設計工作，提高了波音787 客機的設計制造效率。第二，數字化設計提高了產品開發效率。數字化設計將處于分散狀態的研制企業和技術人員整合在一個平臺協同開展工作，并獲得共享的數字化產品相關信息。數字化設計保證了研制過程中不同階段、不同技術人員之間工作的并行及信息的共享，促進了產品的研制效率。第三，數字化設計貫穿了產品的開發全過程，主要體現在以模型定義MBD(Model Based Definition)技術為主導。該技術針對概念設計、初步設計、細節設計、制作準備、評估檢驗等階段，明確了產品制造中的必要信息。MBD技術最早由波音公司提出，在設計制造波音787 客機時實踐了這一技術，并得到國際的普遍認可[6]。MBD數據集包括MBD 零件數據集與MBD 裝配數據集。MBD 零件數據集包括實體幾何模型、尺寸、公差標注等數據；MBD 裝配數據集包括裝配的產品模型、工裝模型、裝配順序等數據，是開展裝配仿真的依據，圖1所示為基于MBD 的裝配模型定義。PDM(Product Data Management)作為一種產品生命周期的管理技術，主要用于將產品相關信息與其相關的過程集成到一起，從而使PDM 系統能夠管理從產品概念至產品報廢的全周期內的信息。目前，PDM 系統已經被廣泛應用于航天、航空、船舶等行業中，PDM 是實現產品協同設計和信息管理的重要數字化技術。

圖1 基于MBD 的裝配模型定義

20世紀70年代，國內制造業開始應用數字化技術，航天領域產品的開發由串聯式向并聯式協同工作方式轉變，并向國際合作開發的模式進一步轉變[8]。李想等構建了航空產品協同研發標準體系，利用數字化手段對傳統研發模式進行改造，實現產品開發技術、信息、資源等在協同環境下的融合[10]。研究人員針對通信衛星電纜提出了實現航天器高頻電纜快速數字化設計的方法[11,12]。李強等以大型運載火箭總裝數字化對接工藝與總體布局、對接集成控制方法等關鍵技術為重點，采用數字化設計方法，提出了大型運載火箭數字化對接技術[13]。在運載火箭進行數字化設計時，產品的初步設計階段就提前進行CAE 的工作，使CAE和CAD 并行，對提早發現設計中的問題是有利的。建立智能化的CAD/CAE 仿真流程管理與集成系統，并根據CAD/CAE 現狀建立設計工程庫，為CAD/CAE并聯運行、提高工作效率奠定基礎[14]。隨著數字化技術的不斷發展，在我國航空航天產品研制中，應用產品數字化設計技術已成為提升設計水平、縮短設計周期、降低設計成本、提高研制效率的有效途徑。

3 產品數字化驗證

數字化仿真驗證技術是在真實、虛擬和模擬條件下對于產品系統與關鍵核心部件功能、性能與可靠性的驗證過程。數字化仿真驗證的頂層輸入為產品需求分析，掌握產品的研制情況、應用需求等信息，圍繞安裝工藝性、功能性能、環境適應性和壽命可靠性對產品數字化驗證開展需求分析，如圖2所示。安裝工藝性需求分析可識別產品安裝工藝和程序的合理性、適用性要求等。功能性能需求分析可識別產品的通用功能性能、特殊功能性能以及極限應用要求等。環境適應性需求分析可識別產品使用的環境因素。產品壽命可靠性需求分析可識別產品的全部壽命可靠性要求，包括產品設計、制造、材料等方面的可靠性要求等。數字化仿真驗證技術是建立在虛擬試驗技術、計算機仿真技術、可靠性試驗驗證技術、故障物理技術等研究基礎上的一種新型復合技術，通過建立包含應力損傷與退化失效信息的虛擬試驗模型，以虛擬試驗方式開展功能性能與可靠性試驗驗證，進而得出產品在多復雜環境應力和工作應力下的可靠性信息。

圖2 數字化仿真驗證技術示意圖

3.1 虛擬試驗技術

國外產品大量采用了虛擬試驗驗證技術，獲得了極大的成功[16]。以美國為代表的國家投入巨資研究綜合試驗驗證技術，其“低風險、高效率、高覆蓋性”的特點，逐漸成為一種重要的試驗方式，與實物驗證并重。此外，國外對綜合測試環境的研究也已經十分成熟，涌現出了系統級的平臺，以Sedris 為代表，對大型綜合測試環境進行建模、轉化、共享和發布。國內已在產品虛擬試驗驗證關鍵技術研究和應用方面取得初步成果，為構建聯合試驗驗證系統奠定了技術基礎。南京航空航天大學開展了振動臺虛擬試驗建模與驗證技術研究。此外，三軸虛擬轉臺可視化系統由北京航空航天大學利用虛擬現實技術搭建而成。

3.2 計算機仿真技術

仿真技術是一種新興的試驗方法，在20世紀40年代后期隨計算機技術的發展逐漸形成。最初的仿真技術主要用于少數領域，如航天、航空、原子能等[17]。CAE 技術的早期發展是在20世紀50年代末及60年代初，美國和歐洲開始在有限元程序的開發上投入大量的精力[18]。美國國家航空航天局(NASA)于1965年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統公司開發了NASTRAN 有限元分析系統。同時，德國ASKA、英國PAFEC、法國SYSTUS、美國ABAQUS、ANSYS等迅速崛起。1967年，SDRC 公司成立，并于1968年發布了世界上第一個動力學測試和模態分析軟件包，隨后有限元分析軟件SERTAB 也于1971年推出，并開始商業化。SASI 公司于1969年成立，并于1970年發布了商用軟件ANSYS，ANSYS 最初只能做熱分析與線性結構分析[18]。此后，計算機技術和信息科學飛速發展，為仿真技術的應用提供了技術基礎和物質基礎。

經過半個多世紀的發展，我國的計算機仿真技術已經成為從處理簡單系統到解決復雜系統問題的有力工具。仿真技術已經滲透到國民經濟的各個領域，在國家經濟建設中占據著重要的地位。國產CAE 軟件的研制工作從上個世紀60年代開始，基本上同步于美國和歐洲[18,19]。20世紀90年代，我國開始研究從單一平臺的性能仿真向多平臺聯合仿真發展，形成分布交互仿真、虛擬現實等先進仿真技術。目前，國產仿真軟件飛速發展，安懷信自主開發了SimV&Ver 仿真模型驗證及確認工具包，包括靜力學模型驗證及確認工具、動力學模型驗證及確認工具、仿真模型與性能虛擬樣機管理等功能。中望仿真軟件研發了中望電磁仿真、中望結構仿真、ZWMeshWorks 等產品。索辰性能仿真工具包括流體仿真軟件、高度非線性結構軟件、電磁仿真軟件、EMT 多學科協同設計仿真等。瑞蘭恒通形成了成套自主知識產權的國產工業軟件，包括結構耐久性設計分析軟件DURA、多學科設計優化系統OptiSpace 和數字化仿真系統SimSpace 等。航空結構分析系統HAJIF 是國內航空領域的大型CAE 軟件系統，以提供飛行器結構強度、熱強度、結構優化設計等功能。國內同元軟控開發的MWorks 系統、數巧科技開發的Simright 國產云端CAE、安世亞太開發的PERA SIM 通用仿真軟件、大連理工大學研發的SIPESC、河南科技大學研發的SARB 滾動軸承仿真系統，均擁有自主知識產權，并具有強大的仿真功能。國產CAE 軟件的發展已相對成熟，國產軟件中加入了協同設計模式、標準件庫、材料數據庫等，提高了產品的研制效率。

3.3 可靠性試驗驗證技術

加速壽命試驗(ALT)作為一項可以評估產品壽命和可靠性指標的加速試驗技術，其關注度高且應用廣泛。美國空軍羅姆發展中心在1960年首先提出了基于可靠性物理的加速壽命試驗。加速壽命試驗技術在近幾十年得到了飛速發展，在宇航、電子、能源、車輛等領域得到了廣泛的應用。在新產品研發中，惠普、福特等國際知名企業紛紛采用加速壽命試驗方法，獲得了高可靠性且經濟效益明顯提升。波音在應用該技術時，由于傳統可靠性驗證手段效率較低，因此提出了可靠性強化試驗的概念，最早從事這項試驗工作的技術人員將該試驗稱為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)[23]。其中，HALT 針對的是產品設計，而HASS 則是產品生產。美國在80年代末至90年代初將可靠性強化試驗技術應用于各個工業部門，波音公司早在1994年就已經在波音777 客機應用了這一技術并獲得成功[23]。20世紀70年代初，加速壽命試驗技術進入我國，并于1981年頒布了相關國家標準[24]。目前，加速壽命試驗技術在各行業得到廣泛應用，提高試驗效率。

3.4 故障物理技術

在故障物理技術研究方面，美國馬里蘭大學CALCE 中心處于領先地位，該中心基于故障物理提出了成熟的可靠性技術研究流程。尋找故障物理模型和開發相應模擬工具是故障物理技術用于提高和評價系統環境可靠性的關鍵，馬里蘭大學已開發出兩種模型并在實踐中得到應用[25]。國內的故障物理技術發展以跟蹤國外技術為主。北京航空航天大學將基于故障物理的可靠性分析技術應用于故障預測與健康管理中，并通過云計算、大數據、仿真和智能推理算法為企業產品可靠性提供解決方案。數字孿生是一種將物理世界數字化的新技術，是以數字方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據、算法模型等，模擬、驗證、預測和控制物理實體全生命周期過程的技術手段。在航空航天領域中，數字孿生技術能夠對飛行器進行仿真、測試和監控，提高了飛行器的安全性和運行效率。未來數字孿生技術還將與虛擬現實技術、人工智能技術等協同應用，達到更加全面地通過數字孿生模型實現物理世界的仿真。

4 結束語

借鑒國內外數字化設計與驗證相關經驗，通過多學科協同研制的思想、“抓兩頭”的做法、基于模型定義MBD 技術、PDM 系統等，并結合虛擬試驗驗證技術、計算機仿真技術、可靠性試驗驗證、故障物理技術等，開展產品數字化設計與驗證。搭建智能化的CAD/CAE 仿真流程管理與集成系統，建立工程數據庫，統一產品數據交換標準，是提高產品研制效率的重要基礎。多學科協同設計的產品數字化研制模式能夠提高研制效率，縮短研制周期，降低產品研制成本，對提高產品數字化設計與驗證能力具有重要作用。PDM 系統助力產品的協同工作及管理，在未來將會不斷發展并適應不同的市場需求，為產品的全生命周期提供強大的數據管理和協作環境。

當前的國產CAD/CAE 軟件發展已較為成熟，國內已開發出眾多具有自主知識產權的建模及仿真驗證軟件。國產軟件引入了標準件庫、材料數據庫等，并且實現了參數化建模功能以及云端協作模式，便于由傳統單機向多人協同設計轉變，提高了國內產品數字化設計與驗證的工作效率。通過數字化設計與驗證技術完成產品研制模式的轉型，將傳統試驗驗證轉化為數實結合驗證，不斷做強做優做大數字經濟，加快推動我國數字經濟的發展。