搭建风洞数字化协同设计与仿真平台

王生利　王帆　王海　王超琪　郑娟

摘 要：文章从风洞研制特点及制约设计能力因素出发，引出建设平台的重要性，在分析当前平台现状和存在问题的基础上，给出搭建多学科数字化协同设计与仿真平台的目的和意义，并描述协同设计与仿真平台的体系结构和功能框架，最后指出协同设计与仿真平台建成后能够起到的作用。

关键词：设计手段；多学科数字化设计；协同设计与仿真平台；风洞设计

中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0005-03

Abstract： Based on the characteristics of wind tunnel development and the factors restricting the design capability， this paper introduces the importance of the construction platform. On the basis of analyzing the current situation and existing problems of the platform， the purpose and significance of building a multidisciplinary digital collaborative design and simulation platform are given. It also describes the architecture and functional framework of the collaborative design and simulation platform， and finally points out the role that the collaborative design and simulation platform can play after the completion of the platform.

Keywords： design means； multidisciplinary digital design； collaborative design and simulation platform； wind tunnel design

中国空气动力研究与发展中心（以下简称气动中心）下属的第四研究所（以下简称四所），是国内唯一专业从事风洞设备设计及测试技术研究的综合性研究机构[1]。近年来，随着风洞设计要求的提高与任务的快速增长[2]，现有风洞设计理念陈旧、设计手段落后，设计能力不足、技术储备难以适应下一步任务要求等问题已日趋凸显。

风洞作为大型复杂设备，其建设是一个集设计、分析、仿真、试验、优化和管理于一体的大型工程。其研制过程如图1所示，包括立项论证、可行性研究、初步设计、技术设计、施工设计、风洞调试几个阶段，涉及气动、结构、测量、控制、液压、天平设计及项目管理等多学科领域[3]。在建设过程中，需要众多工程技术人员的协调，处理海量的数据资源，运用不同领域的专业工具软件，经历复杂的、科学的反复迭代设计过程。

目前，四所设计手段主要基于1996年前设计建成的CAD平台，该设计平台已明显表现出难以满足众多且要求日益复杂的新风洞设计要求，逐渐成为高质高效完成科研任务的瓶颈，甚至在一定程度上限制或阻碍了风洞设计效率和设计质量的提高；而且，现有的风洞CAD设计平台应用技术严重滞后于当今业已成熟的CAx技术的发展与应用——数字化、多学科协同设计与仿真，与四所在国内堪称风洞设计领域的“国家中心”地位极不相称，与实现风洞设备设计与建设水平“世界一流”的目标要求相差甚远。

构建一套基于先进CAx技术、全数字化的风洞多学科协同设计与仿真平台，以提升风洞设计手段、提高风洞设计效率与设计质量、缩短研制周期、降低研制成本，是解决上述问题有效途径[4]。

1 平台建设的目的和意义

1.1 风洞研制的特点

风洞研制过程呈现的一系列特点，可以概括为两大方面：一方面，每个研制阶段所涉及的专业较多，跨专业多级业务流程复杂，业务流程中所使用的不同学科工具软件较多，工具软件之间的数据流关系复杂，而且复杂的研制流程还需要进行反复迭代才能获得有效的设计结果；另一方面，可行的参考方案往往有助于建立更好的迭代设计起点，迭代过程中基于经验的合理参数调整往往有助于减少迭代的次数，两者皆有助于缩短设计周期、提高设计质量。

1.2 影响风洞设计能力的关键要素

根据风洞研制的特点可知：影响风洞设计能力的关键要素为：设计流程的积累、应用和管理水平；设计、计算、仿真工具軟件应用经验的积累和应用水平；设计规范、经验数据和已有设计成果的积累和应用水平；风洞设计相关的多学科协同设计与仿真的综合能力；设计、仿真、试验数据的综合管理水平。

1.3 现有CAD设计平台及其存在的主要问题

现有的风洞CAD设计平台基本实现了风洞三维方案设计、二维出图以及部件级性能分析及优化设计，但在系统配置和应用方面存在很多问题。如三维大型复杂装配设计软件许可用户数严重不足、风洞CAD设计平台缺乏各专业协同设计环境、缺乏风洞性能多学科协同仿真环境、缺乏风洞设计数据的有效管理等。

由于上述问题的存在，就现有的设计队伍，凭借现有的风洞CAD设计平台，要高质高效完成目前前所未有的风洞设计与建设任务是难以想象的。而采用基于产品数据管理的全三维数字化协同设计、多学科协同仿真及项目流程管理技术等是解决上述问题的有效技术途径。

1.4 平台建设的目的和意义

平台建设的主要目的就是：在风洞研制过程中，实现不同专业人员之间、项目管理人员之间的有效协同；实现不同专业设计工具和手段的充分集成；综合考虑各个学科之间耦合效应的仿真；实现风洞设计与建设过程数据有效管理和知识数据的管理和再用。

平台建设的意义在于：改善风洞设计手段、提高风洞设计效率和设计质量、缩短风洞研制周期、降低研制成本，有效提升风洞设计水平，高质高效完成各项研制任务。

2 平台总体方案

2.1 平台体系结构

基于通用的集成设计与仿真体系结构，风洞数字化设计与仿真平台体系结构如图2所示，主要包括信息集成层、技术支撑层、集成平台层和用户层。

从平台体系结构中可知：在四层结构中，信息集成层、技术支撑层为任何专业、任何产品集成设计与仿真平台的通用体系，用户层仅为企业或产品设计平台界面，唯有集成平台层是体现集成设计与仿真平台的应用功能、设计对象特色的关键层。

在集成平台层，协同设计环境、仿真分析环境所包含产品设计与仿真流程、工具软件及自编软件、设计知识管理环境是体现集成平台是否具备专业或行业特色的关键要素。系统管理环境、可视化环境所包含的项目管理、数据管理等均为其提供技术支撑。

因此，将风洞设计与仿真特有的各专业工具软件、设计流程、设计知识、规范及管理流程融入到集成设计与仿真体系结构的集成平台层中，是风洞数字化设计与仿真平台具有风洞设计特色的唯一标志。

2.2 平台功能框架

根据风洞研制中的跨专业、多学科的设计迭代过程和分析仿真过程紧密结合而形成产品设计循环、设计数据和仿真数据高度关联而构成风洞数字化虚拟样机的特征，可将体系结构中的协同設计环境、仿真分析环境及知识管理环境归为风洞设计与仿真过程管理体系；将系统管理环境分解为风洞科研项目管理体系和风洞设计与仿真数据管理体系，由此形成由风洞科研项目管理体系、风洞设计与仿真过程管理体系、风洞设计与仿真数据管理体系三大体系以及风洞知识管理系统、风洞虚拟样机展示子系统和硬件/网络环境构成的平台功能架构，如图3所示。

3 结束语

（1）风洞数字化设计与仿真平台建成后，在气动方面：将能规范气动设计流程、提高气动设计效率、实现气动性能的精细化模拟，进而提升气动设计能力；在结构方面：能实现风洞设计从二维设计到三维全数字化设计的转变，提高设计手段。实现风洞多学科协同设计与仿真，提高设计效率、设计质量和设计水平。实现风洞复杂部段、甚至风洞整体的数字化装配，避免零部件出现干涉现象，减少设计的返工量；在测控方面：实现控制软件无缝接入设计与仿真平台进行在线调试和测试，实现对整个数字风洞进行气动、结构及测控多专业、多学科的联合仿真，实时显示风洞流场特性参数及曲线、机构运动状态和运动曲线。

（2）风洞数字化设计与仿真平台的建立，实现风洞设备设计与仿真手段与世界先进水平接轨，从现有的传统模式快速跨越到国际先进水平；风洞数字化设计与仿真平台的应用，将改变风洞设计方式，提升设计理念，在提高设计效率、设计质量和风洞性能的同时，实现风洞设计模式的创新。

参考文献：

[1]王玉明.项目管理在大型风洞设计对外合作中的应用研究[D].成都：电子科技大学，2015.

[2]郭东明，雒建斌，方岱宁，等.大型风洞设计建设中的关键科学问题[J].中国科学基金，2017（5）：420-421.

[3]刘政崇.风洞结构设计[M].北京：中国宇航出版社，2005：6-7.

[4]王超琪.风洞数字化设计与仿真平台建设方案[Z].