基于元模型的復雜產(chǎn)品虛擬樣機建模方法研究

任璐英, 王慶國, 馬 倩,2, 張海峰, 徐衛(wèi)衛(wèi)

(1. 北京航天情報與信息研究所, 北京 100854; 2. 哈爾濱工業(yè)大學經(jīng)濟與管理學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

20世紀90年代,由英國蘇塞克斯大學與布萊頓大學合辦的“復雜產(chǎn)品系統(tǒng)創(chuàng)新中心”等研究機構首次提出了復雜產(chǎn)品系統(tǒng)(complex product and system,CoPS)這一概念。復雜產(chǎn)品是指由多個不同學科領域的分系統(tǒng)組成的具有高復雜程度的系統(tǒng),現(xiàn)代制造業(yè)中大量的產(chǎn)品都屬于復雜產(chǎn)品,如火箭、飛機、衛(wèi)星、導彈武器系統(tǒng)等。虛擬樣機(virtual prototyping,VP)是一種新型產(chǎn)品開發(fā)設計和過程開發(fā)方法,通過建立產(chǎn)品物理樣機的模型信息,對產(chǎn)品結構、性能、外觀等模擬仿真和試驗測試。設計人員可以在計算機虛擬環(huán)境下進行產(chǎn)品的設計和制造,這將大幅提高產(chǎn)品的設計開發(fā)效率和質量,從而縮短產(chǎn)品整體的研制周期,降低成本。因此,以復雜系統(tǒng)數(shù)字建模技術與產(chǎn)品全周期多階段模擬仿真技術為基礎的復雜產(chǎn)品VP(VP of complex product,VPCP)技術正成為制造業(yè)復雜產(chǎn)品設計研發(fā)的重要手段。

當前,隨著產(chǎn)品的復雜程度不斷增大, VPCP已經(jīng)成為多學科交叉融合的復雜系統(tǒng)工程,設計思路也逐漸向產(chǎn)品全周期多階段動態(tài)協(xié)同設計發(fā)展。這對VP復雜系統(tǒng)數(shù)字建模技術與產(chǎn)品全周期多階段模擬仿真技術提出了新的挑戰(zhàn),國內外進行了大量的研究。李波等提出利用模糊類推在復雜系統(tǒng)中進行定性建模的方法。Eynard等利用面向對象技術并基于統(tǒng)一建模語言建立了復雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理應用模型。王威等建立并研究了在不確定條件下的復雜產(chǎn)品多學科協(xié)同優(yōu)化模型和建模過程。Kim等研究了一種用于在云計算環(huán)境下的分布式工作流系統(tǒng)上合理地部署工作流模型的方法。Zhang等開展了基于貝葉斯理論的相關向量機方法應用于元模型(meta model, MM)構建的相關研究。Wu等將基因理論融入機械領域,構建了產(chǎn)品實例的層次分解基因樹,為VP建模技術和模型獲取提供了新思路。閆雪峰等研究了學科模型的計算機輔助設計/計算機輔助工程(computer aided design/computer aided engineering, CAD/CAE)信息聯(lián)動過程及其變化規(guī)律對CAD/CAE一體化的影響,提出了基于歷史和非基于歷史的混合建模方法。俞必強等通過引入Isight輔助優(yōu)化平臺,構建了基于隨機搜索法的多學科優(yōu)化算法,實現(xiàn)了多學科復雜系統(tǒng)的優(yōu)化。閆喜強等針對復雜產(chǎn)品概念設計階段對多學科設計的要求,構建了基于反饋的復雜產(chǎn)品分解-映射-協(xié)商-綜合的多學科概念設計過程模型。目前,國內關于VP多學科優(yōu)化主要集中在基礎理論研究,工程應用相對較少。

隨著新興技術的不斷發(fā)展,新一代CoPS對數(shù)字化設計質量的要求也在不斷提高,需要建立系統(tǒng)級數(shù)字VP來實現(xiàn)復雜產(chǎn)品系統(tǒng)的功能仿真和方案優(yōu)化。本文首先介紹并分析了MM建模方法及特點、VPCP數(shù)字化模型、多學科優(yōu)化方法等,提出了基于MM的VP設計建模方法,構建了面向CoPS設計優(yōu)化過程、多學科領域統(tǒng)一元MM,為模型之間的信息交換、共享以及處理提供基礎,更好地實現(xiàn)基于知識的VPCP設計。

1 基于MM的VP設計建模方法

建模是VPCP設計應用的基礎,VP建模是指對VP不同學科領域之間本征特性及相互關系的規(guī)范化描述。復雜產(chǎn)品傳統(tǒng)的建模方法是通過產(chǎn)品的特征信息進行統(tǒng)一化建模,模型間的信息交換效率和準確度較低,無法滿足動態(tài)信息及時有效的共享和處理要求。這就要求VPCP建模在更好實現(xiàn)產(chǎn)品方案設計的同時,還可以解決產(chǎn)品各級異構模型之間存在的數(shù)據(jù)交換、關聯(lián)、操作等問題。根據(jù)復雜航空航天產(chǎn)品VP設計過程中的建模要求,研究了基于MM的VP設計建模方法,分析了產(chǎn)品建模過程中功能與結構之間的關系和相互作用,為復雜航空航天產(chǎn)品VP模型構建提供基礎。

1.1 MM建模方法及其特點分析

MM是指具有相對固定的表達和描述方法的模型,是關于模型的語義、建立模型與模型之間關系和約束等信息的描述。MM建模與一般建模方法在建模形式上較為相似,但同時又是一種系統(tǒng)級的建模技術,是對系統(tǒng)的更高層次的抽象化描述。MM建模過程是利用元表達機制對各元組(包括對象、屬性、約束、關系及方法等)、對不同領域中的對象、屬性以及對象之間關系等信息進行規(guī)范化描述和定義,建立多個相互關聯(lián)的模型集,最終構建出MM。

VPCP元建?？蚣苁菑膹碗s產(chǎn)品多學科VP的系統(tǒng)層次, 形式化定義不同抽象層次的模型。根據(jù)抽象程度不同,VP設計MM分為4個信息模型層,依次為元MM層、MM層、模型層和實例層,如圖1所示。較高層級的模型定義了描述低層級模型所需的基本語言元素,而低層級模型通過不斷進行具體表達實現(xiàn)較高層級模型的實例化。

圖1 VPCP元建模層次Fig.1 Meta modelling hierarchy for VPCP

VP MM建模過程如圖2所示。首先,提取復雜產(chǎn)品的建模信息并構建VP設計MM以對VP設計模型進行抽象描述;利用元數(shù)據(jù)模型對不同類型的數(shù)據(jù)進行管理,在比各不同領域模型更高的層次上對模型進行分析和研究;描述VP設計MM、學科MM的映射規(guī)則,添加學科信息,進行實例化。

圖2 VP MM建模過程Fig.2 Meta modelling process of VP

1.2 基于MM的VP統(tǒng)一建模方法

由于VP生命周期多階段、多學科、多領域以及多層次的特性,需要構建包含不同階段、不同領域、不同學科信息的數(shù)字化、統(tǒng)一化、集約化模型。因此,基于MM的VPCP統(tǒng)一建模方法可以描述如下:通過定義VP MM中的對象、屬性、關系、約束等,描述產(chǎn)品統(tǒng)一建模過程所有數(shù)據(jù)信息,得到形式化描述的VPCP的主模型,最終實現(xiàn)統(tǒng)一模型構建。

習主席強調，今后一個時期軍民融合發(fā)展，總的是要加快形成全要素、多領域、高效益的軍民融合深度發(fā)展格局，豐富融合形式，拓展融合范圍，提升融合層次。與單純意義上的“軍轉民”或者“民為軍用”所不同，“軍民融合”更強調科研、技術與制造的融合、高端產(chǎn)業(yè)的融合和體制、機制、人才的融合?？梢哉f，科學技術融合是軍民融合的基礎和重要環(huán)節(jié)。

圖3為基于MM的VPCP建模方法組成。從建模過程分析進行引入,采用VP的MM建模方法,利用數(shù)據(jù)庫、模型庫、多領域技術建立由主模型構建、學科模型提取以及學科模型的CAD/CAE一體化建模方法形成的方法體系,在產(chǎn)品不同階段進行工程設計分析。利用VP MM的普適性和規(guī)約性達到“核心轉換”作用,通過 VP MM形式化描述VPCP的主模型,構建以VP主模型為模型信息源,映射并得到不同的學科模型,完成信息的交換、共享以及處理,實現(xiàn)統(tǒng)一模型的構建,從而減少了不同階段重復建模的時間。

圖3 VPCP建模方法組成Fig.3 Components of VPCP modelling approach

1.3 MM多學科設計優(yōu)化方法

由于復雜產(chǎn)品由多個不同學科領域的子功能系統(tǒng)構成,合理協(xié)調多學科之間耦合關系獲得系統(tǒng)的整體優(yōu)化策略,已成為有效達到系統(tǒng)設計目標的關鍵,美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)首次提出了多學科設計優(yōu)化(multidisciplinary design optimization,MDO)的概念。MDO作為工程領域新的設計優(yōu)化方法,其思想已經(jīng)覆蓋到航空航天復雜產(chǎn)品等領域的各個環(huán)節(jié)與階段,是一種基于工程系統(tǒng)中多系統(tǒng)協(xié)同機制用以設計復雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論。其特點是通過建立面向特定學科問題的優(yōu)化體系,采用合理有效的設計優(yōu)化策略,在保持整個系統(tǒng)中互為耦合的各學科優(yōu)化的條件下進行若干單個學科的分析與優(yōu)化。作為復雜產(chǎn)品設計中的一種系統(tǒng)整體優(yōu)化策略,MDO將多學科領域的動態(tài)信息統(tǒng)一集成,從而實現(xiàn)計算和通信時間的大幅降低,從結構角度解決了復雜產(chǎn)品設計優(yōu)化多系統(tǒng)計算和組織復雜性問題,為產(chǎn)品的全生命周期協(xié)同設計提供了一種實施方法。

根據(jù)MDO問題中學科的組織形式,MDO方法主要包括多學科可行法(multi-disciplinary feasible,MDF)、目標分流法(analytical target cascading,ATC)、單學科可行法(individual discipline feasible,IDF)。其中,MDF是解決MDO問題的最基本方法,與MDF相比,IDF避免了在每次優(yōu)化迭代中進行多學科分析,ATC則更符合系統(tǒng)工程的思想,適用于層次型系統(tǒng)。除此之外,還不斷發(fā)展出并行子空間優(yōu)化方法(concurrent subspace optimization,CSSO)、協(xié)同優(yōu)化方法(collaborative optimization,CO)、兩級集成系統(tǒng)綜合法(bi-level integrated system synthesis,BLISS)等方法。在不同的MDO方法中,通常需要根據(jù)系統(tǒng)中不同學科間的關系以及具體目標來選用最合適的設計優(yōu)化方法。

目前, MDO主要研究及應用集中在面向非層次型系統(tǒng)優(yōu)化方面,其中CO的兩級分布式優(yōu)化架構與復雜產(chǎn)品的設計組織形式較為接近,不僅可以實現(xiàn)并行設計,而且能夠發(fā)現(xiàn)更好的設計方案。CO作為一種優(yōu)化方法,可以通過減少并降低不同學科之間因信息交互產(chǎn)生的各種問題,動態(tài)使用與各學科相適應的優(yōu)化算法,進而減小多學科優(yōu)化計算的復雜性,但其優(yōu)化計算要建立在一定的模型基礎上。

2 基于MM的VPCP建模過程及分析

復雜產(chǎn)品MM VP的建立是實現(xiàn)產(chǎn)品設計的基礎。基于MM的VPCP統(tǒng)一建模方法的基本思想是通過模型抽象表達,通過操作“方法”獲取不同學科的MM,實現(xiàn)模型構建與模型應用分離,對學科模型的組成和構建過程研究分析,建立學科MM映射方法。

2.1 復雜產(chǎn)品MM的建立

VPCP MM面向整個產(chǎn)品基礎和特征信息。根據(jù)產(chǎn)品設計過程的特點,VP的設計模型包含4個主要方面:設計對象、功能特性、語義表達以及約束關系。在MM表達中,設計MM的表達是關鍵因素。根據(jù)不同領域學科的分析模型對復雜產(chǎn)品設計信息交互、共享及處理的要求,設計MM不僅要表示復雜產(chǎn)品的設計語義、結構特征、關聯(lián)關系等信息,而且要能夠實現(xiàn)信息模型的動態(tài)擴展。VP MM形式化表達為{〈Object〉〈Attribute〉|〈Constraint〉|〈Relationship〉|〈Method〉}。對象〈Object〉為設計對象集合,包含文檔〈Document〉、產(chǎn)品〈Product〉、部件〈Assembly〉、零件〈Part〉、功能〈Function〉、特征〈Feature〉、需求〈Requirement〉以及行為〈Behavior〉。 屬性〈Attribute〉為屬性的集合,包含結構屬性〈Stu-Atb〉、需求屬性〈Req-Atb〉以及功能屬性〈Fuc-Atb〉,均具有相應的(a, t, v),其中a是定義設計對象的屬性,t是屬性的類型,v為屬性值。約束〈Constraint〉為映射關系集合,包括結構約束〈Stu-Con〉、幾何約束〈Gem-Con〉、制造約束〈Man-Con〉、功能約束〈Fuc-Con〉等。關系〈Relationship〉為映射關系的集合,表示各設計對象、組成構件以及MM組件之間的關系,包含對象關系〈Obj-Re〉、語義關系〈Sem-Re〉。 方法〈Method〉定義了對產(chǎn)品信息模型中的操作,主要包括獲取〈Get〉、修改〈Update〉、增加〈Addition〉、引用〈Reference〉、刪除〈Delete〉、提取〈Extraction〉、聚合〈Aggregation〉等方法?；谏鲜龇治?最終構建的VPCP設計MM如圖4所示。

圖4 VPCP MMFig.4 VPCP MM

2.2 VPCP MDO過程

根據(jù)前文分析,VP MM的抽象層次較高,因此難以直接映射學科模型,需要MM層中設計MM遵循規(guī)范向學科MM轉化的過程。簡而言之,學科模型是VP MM在不同階段映射并實例化的工程模型,可被看作是產(chǎn)品學科信息集。這需要根據(jù)VP設計MM與學科MM的轉化關系建立映射函數(shù),通過設計MM映射得到學科MM,再通過建立模型一致性約束條件保證學科MM與目標MM一致性,最終實例化學科模型。

具體包含如下步驟:首先,對產(chǎn)品設計語義、結構特征、關聯(lián)關系等信息進行分析,構建產(chǎn)品的公共信息模型。其次,采用五元組描述的設計MM,將公共信息模型抽象成為設計MM。然后,對設計MM進行多領域學科分析,通過對目標學科的規(guī)則和約束以及其與設計模型之間的約束、轉換關系的分析,明確目標學科的轉化目標。選取設計MM對象的屬性,輸入不同領域學科分析條件,利用上述轉換關系和約束規(guī)則,通過映射函數(shù)得到轉化后的各類屬性,判斷屬性是否滿足一致性約束條件,構建出目標學科MM。對目標學科MM進行實例化,即進行應用領域的模型分析,判斷實例化后得到的目標模型是否滿足學科分析要求。最終得到實例化多學科模型,如圖5所示。

圖5 基于MM的設計模型向學科模型的轉換過程Fig.5 Conversion process of MM-based design models to discipline models

2.3 航天VPCP MDO驗證

航天復雜產(chǎn)品的VP設計是多領域數(shù)字化模型組成的模型聯(lián)合體,通過利用軟件集成法,結合協(xié)同優(yōu)化來優(yōu)化設計框架,再將產(chǎn)品的功能與設計方案一同實現(xiàn)這些功能與結構、尺寸等集成,進行多學科優(yōu)化,最后通過對復雜產(chǎn)品各性能的仿真分析進而對設計方案進行驗證與優(yōu)化。以某飛行器艙體結構為典型航天復雜產(chǎn)品,產(chǎn)品設計過程中包括了結構、材料、機械、氣動等多領域學科信息,說明文中方法在復雜產(chǎn)品MDO建模中的應用過程。

圖6為VP MDO方案圖。首先,依據(jù)初始設計方案進行某飛行器艙體結構VP數(shù)字化設計,將現(xiàn)有的CAD/CAE軟件同多學科優(yōu)化技術相結合,利用Pro/E、CATIA、UG等商用軟件建立某飛行器艙體的參數(shù)化實體模型,通過劃分網(wǎng)格、對邊界條件進行定義的方式對實體模型進行前處理,利用Ansys、Matlab、ABAQUS等軟件進行多學科并行分析。然后,將得到的設計結果進行集成自動化設計分析和工作狀態(tài)驗證,獲得改進的設計方案。對于某飛行器艙體結構總體設計而言,首先需要對每個部件及其所具備的各種性能進行多學科設計,包括空氣動力學、結構力學、材料力學、材料學、傳熱學等,建立VP性能指標評價系統(tǒng),將不同學科的設計具體要求定義為優(yōu)化約束條件(例如,應力約束、穩(wěn)定性約束、尺寸界限約束等),形成優(yōu)化設計的目標函數(shù)的集合,采用多學科協(xié)同優(yōu)化策略,建立由設計變量、目標函數(shù)和約束函數(shù)表達的MDO模型,從而最終達到VPCP的參數(shù)化設計、穩(wěn)定性設計、容差性設計目標。最后,將優(yōu)化結果反饋給原數(shù)字化設計模型并驅動設計分析進程,根據(jù)學科分析結果判定所得優(yōu)化結果是否滿足設計要求,若不滿足要求,則對設計變量做進一步更改,重新執(zhí)行分析過程,實現(xiàn)設計分析過程的不斷迭代,根據(jù)目標技術指標對設計方案進行調整,完成自動化閉環(huán)設計流程。

圖6 VP MDO方案圖Fig.6 Solution diagram of MDO of VP

3 結 論

本文提出了一種基于MM的VPCP多學科建模方法,在MM的相關理論方法基礎上,對設計模型與MDO之間的關系進行闡述,討論了VPCP多學科優(yōu)化建模過程,形成了面向VPCP MDO方案。為降低構建VPCP的系列化和數(shù)據(jù)交換的難度,有待于深入研究進一步規(guī)范化多學科模型和算法,建立集成產(chǎn)品多學科信息的模型表達方法和數(shù)據(jù)結構,開發(fā)出面向協(xié)同設計優(yōu)化的復雜產(chǎn)品多學科協(xié)同建模方法。