军用车辆动力传动辅助系统多学科协同设计系统研究*

孙晓霞 邵春鸣 杨立宁 舒成龙 王国柱

中国北方车辆研究所 北京 100072

创新点：针对总体设计中协同和优化设计的需求，通过建立一个适用于军用车辆动力传动辅助系统设计的通用框架系统，实现了动力传动辅助系统多学科协同设计及优化功能。

多学科协同设计开始于20世纪80年代末90年代初，首先在美国航空航天工业界兴起，目前已经成为以美国为首等发达资本主义国家工业界一个崭新的研究领域，受到了企业界和学术界的广泛关注。多学科协同设计的基本目的就是充分利用各个学科（子系统）的相互配合，从而产生协同效应，获得整个系统的整体最优解，同时还要实现各学科的并行优化设计[1-7]。

动力传动辅助系统是军用车辆的重要系统，其是保证军用车辆动力系统、传动系统及其他相关分系统可靠运行的关键，直接影响到车辆在各种复杂环境下的机动性和生存能力。动力传动辅助系统的设计研制覆盖冷却、润滑以及空气供给等多个不同子专业，涉及流动、传热以及强度校核等多个不同的学科，具有复杂程度高、多学科多领域交互影响等特点。

传统的军用车辆动力传动辅助系统设计中，涉及的各学科专业的计算程序和分析工具基本彼此独立，依靠设计报告和数据文件方式进行协调，在参数约定、数据文件转换和传递过程中耗费了大量的时间，这种手工活动也容易出错，严重制约了设计效率。因此，亟须建立一个支持多学科自动化参数耦合、转换与传递的集成协同系统来提高总体设计效率。同时，军用车辆动力传动辅助系统设计集中体现了总体设计工作全局性、复杂性的系统工程要求，如何协调与优化诸多学科专业间的任务和参数，寻求系统级的最优目标，进而提高军用车辆动力传动辅助系统的总体性能指标，具有十分重要的意义。

本文论述的动力传动辅助系统多学科协同设计系统，针对总体设计中协同和优化设计的需求，通过建立一个适用于军用车辆动力传动辅助系统设计的通用框架系统，实现了以下两方面功能：

（1）多学科协同设计功能。有效的组织设计中的各学科计算和分析模型，将各学科设计工具封装后集成到系统中，并精确实现各学科模型间的耦合关系，在系统上进行自动化的协同计算。

（2）多学科设计优化功能。在集成协同的基础上，提供优化设计过程所需的各种工具，为系统设计优化提供全面和有力的支持。

1 系统功能需求分析

为实现快速、便捷的协同和优化，系统需要满足以下主要功能要求：

（1）梳理现行设计流程中典型的理论、经验计算方法，通过补充开发相应的专用设计程序，进行算法初步固化，为自主算法程序开发奠定基础。

（2）实现对动力传动辅助系统设计阶段中所涉及的各类知识型研发能力要素的积累、整合和重用。快速实现对动力传动辅助系统设计仿真流程的表达和重用；实现对不同类别且不断增加的动力传动辅助系统各专业设计仿真工具软件的集成；支持对动力传动辅助系统设计仿真领域的规范、标准、经验数据、设计仿真参考模型等知识型要素的积累、整合和重用。

（3）大幅度减少动力传动辅助系统研发过程中各种协作型要素对研发能力的制约。保障对系统总体和各子系统专业在不同阶段生成的设计数据和分析仿真数据进行有序、关联管理；保障在设计迭代过程中，在各种工具软件之间自动、有序传递文件和参数；平衡对设计仿真流程的规范化要求和实际设计中必然反复进行的“自由”迭代过程之间的矛盾；衔接设计迭代过程和技术状态确定过程；提高协作过程和数据的一致性，避免设计过程中的低级错误。

（4）建立覆盖动力传动辅助系统各子专业的设计对象组成层次，并容纳其各级指标参数体系，以此为中枢，提供下述支撑能力：既支持动力传动辅助系统总体与各子系统以及子系统与部件（如：冷却系与风扇部件）之间的参数级指标分配与反馈；也支持骨架模型文件和协调文档的下发与三维模型和文档的反馈。

综合上述功能，建立一种学习型的高效协作环境。促进研发人员的知识、经验积累、共享和传承，大幅度减少低水平的重复，大量减少设计人员在设计迭代过程为进行工具软件之间的衔接和数据传递，以及人员、学科、专业之间的协作而进行的“低级”劳动，使设计人员有更多的精力进行真正的专业活动。加快设计迭代过程，为在更短的时间设计更多的动力传动辅助系统方案并进行优选提供可能。以此为基础，通过动力传动辅助系统多学科协同设计系统与TDM试验数据管理系统的集成，衔接设计流程与试验验证流程，并综合关联设计过程数据和试验结果数据，支持设计人员利用试验结果数据评估优化设计方案、校核数字化仿真模型和方法。利用系统建设实施过程，培养出能够有效掌握“动力传动辅助系统多学科协同设计系统”的使用与扩展技能以及专业算法编程基础技能的人员团队，保障动力传动辅助系统设计仿真流程、工具软件使用方法、规范准则、经验数据和可复用参考模型等一系列知识要素，可以在系统的应用过程中得到持续补充和完善，从而保持系统的生命力。

2 系统组成框架

动力传动辅助系统多学科协同设计系统主要包括产品设计仿真活动、设计仿真工具软件、设计流程、设计仿真能力要素以及设计仿真集成管理系统等组成部分，具体如图1所示。其中，系统集成的工具软件、定制的设计流程以及系统容纳的研发能力要素是多学科协同设计系统的基础和核心。

图1 动力传动辅助系统多学科协同设计系统组成框架

2.1 系统集成的工具软件

不同学科和专业类别的工具软件和算法程序需要被动力传动辅助系统多学科协同设计系统封装和集成，以便支持动力传动辅助系统跨专业、多学科设计仿真过程。

系统能有效地集成各专业学科使用的设计、计算和分析工具软件，包括自主研发软件、商业软件（CAD/CAE）、电子数据表格等，各专业工具软件在系统中以学科模型的形式共享出来，供总体设计协同计算时引用。系统能够提供常用CAD/CAE软件（如Pro/E、Fluent等）接口库，实现通用商业软件模型的快速集成。系统还能够封装集成的工具软件，以可视化形式提供便捷的自主研发软件二次集成。

2.2 系统定制的设计流程

该系统支持多学科优化设计（MDO）范畴的型号总体协同和优化设计，按流程顺序可划分为基础类活动和设计类活动。基础类活动包括总体设计规划、各学科模型生成、总体建模等活动，为后续设计活动提供所需的规划和模型基础，是协同优化设计的起点；设计类活动是指针对特定型号的总体模型进行一系列的分析和优化等设计活动，包括设计试验（DOE）、参数敏感度分析（GSA）、方案优化运算等。

（1）总体设计规划

总体设计师根据型号总体设计需要，确定参与总体设计的学科专业，明确各学科设计顺序和模型输入输出耦合关系，编制数据定义字典，以指导各学科和总体规范化建模；并选定总体优化目标、输入参数约束范围，为后续研究打下基础。

（2）学科模型生成与封装

学科设计师在本专业数字化设计单元的支持下生成学科模型，功能和输入输出满足总体规划，生成的学科模型提交至集成系统。

（3）总体模型生成

总体设计师根据总体规划要求，通过引用各学科模型并实现参数耦合关系，建立总体模型，作为后续研究对象。

（4）参数设计试验

参数设计试验（DOE）是指按照一定规则，给定一系列的参数输入范围，驱动总体模型进行运算分析得到相应输出的设计活动，得到的设计试验数据是后续研究工作的依据。

（5）参数灵敏度分析

参数灵敏度分析（GSA）利用设计试验数据，运行统计分析方法，找到对总体优化目标影响较大的参数。对于军用车辆动力传动辅助系统这种功能多样、组成复杂的系统来说，很难利用全局灵敏度方程等经典灵敏度分析算法。结合以往型号设计经验，绘制总体模型输入-输出响应曲线进行分析，是目前行之有效的方法。

（6）待优化方案设计

选定需优化的参数后，如优化参数较多，会因优化维数过大导致优化运算时间过长或无法收敛，这时应对某些参数进行分段离散化处理，形成若干个待优化方案，以保证优化运算的正常进行。

幼儿园应该充分满足幼儿在活动中所需的各种设备器材，这对激发幼儿活动参与积极性以及提高幼儿活动思维能力有着很好的辅助效果。幼儿园阶段的孩子较为活泼好动，教师应该在开展区域活动的过程中让幼儿充分体会到区域活动的乐趣。这就需要幼儿园重视区域活动的场地建设和器材配备，不断完善加强活动所需的硬件设施，以此来保证幼儿在活动中有充足的器材，进而提升区域活动开展有效性。

（7）多方案比较

运用图表、曲线等方式，对多个优化后的方案数据进行比较和选择，作为得到最终方案优化结果的依据。

2.3 系统容纳的研发能力要素

被动力传动辅助系统多学科协同设计系统容纳的研发能力要素主要包括下述几类：

（1）设计对象和指标参数体系。动力传动辅助系统多学科协同设计系统中需要容纳动力传动辅助系统总体、子系统、部件等不同级次的设计对象和指标参数组成体系，为引导设计师完成动力传动辅助系统跨专业、多学科设计仿真过程，并同步进行指标参数体系分解和反馈验证提供支撑。

（2）设计仿真流程。动力传动辅助系统多学科协同设计系统中需要容纳总体和各子系统专业的设计、分析、仿真流程，以便规范化的引导动力传动辅助系统跨专业、多学科设计过程进行有序的设计迭代。

（3）设计规范与标准。动力传动辅助系统多学科协同设计系统中需要容纳总体和各子系统专业的设计规范、设计准则和判据，以便设计人员在动力传动辅助系统跨专业、多学科设计仿真过程中能够随时查阅规范，并根据相关准则和判据在设计迭代过程中进行科学的设计参数选择和设计过程选择，从而加快设计迭代过程。

3 系统实施关键技术

3.1 可支持动力传动辅助系统完整设计循环的多学科关联建模和数据管理技术

多学科关联对象建模和数据管理技术就是采用多学科关联的参数级对象建模方法，在设计仿真迭代过程中逐步建立动力传动辅助系统总体和各子系统多学科关联参数级抽象模型，容纳动力传动辅助系统的跨专业、多学科关联的指标参数体系（包括：技术指标、工作环境参数和设计参数等）。

基于多学科关联的参数对象模型，综合关联管理在迭代过程中各工具软件所建立的系统总体和各子系统专业的性能、结构的数字化模型和数据，从而以参数级对象模型为中枢，形成动力传动辅助系统总体和各子系统多学科关联数字化模型。并最终使动力传动辅助系统指标对象参数体系得以独立和相对稳定的存在于协同设计系统中，作为数字化设计仿真过程的中枢，与数字化流程驱动的各种设计仿真工具软件交换数据。而设计仿真流程和工具便可以成为与设计/仿真对象相关联的设计仿真资源，可以随着专业技术的成熟度发展而不断扩充、更换和发展，从而有效的应对目前动力传动辅助系统各专业设计流程的算法、工具不够成熟的现实问题。

3.2 可支持动力传动辅助系统实际设计迭代过程的设计/仿真流程管理技术

可支持动力传动辅助系统实际设计迭代过程的设计/仿真流程管理技术主要包括下述几个方面：

（1）先进的智能化流程引擎技术。提供流程定义、流程递推、任务提醒等流程驱动所需要的核心服务，支持多项目和多级流程、串并行和回馈关系、智能化的分支和回馈判据，提供流程运行时的智能化调整能力，具体如图2所示。

图2 支持智能化判据的流程驱动引擎

（2）图形化流程规划技术。能够以图形化的形式、所见即所得的定义产品设计/仿真流程，表达流程中任务对应用程序的调用关系。

（3）流程自动记录能力。能够帮助专业人员将模糊的设计过程逐步清晰化、规范化。

（4）流程自由迭代执行技术。可以在流程定义时预定可能进行迭代的任务和迭代条件，也可以由设计人员根据需要在流程执行过程中灵活的选择需要重复迭代的任务，从而满足实际研发工作中的灵活迭代需求。

（5）在跨专业协作方面，还需要采用先进的数据发布、接收和变更追踪技术。通过专业设计对象与设计流程的关联，保障原本就相对独立的各专业设计流程保持其应用的独立性。通过专业设计对象之间的数据发布和变更追踪机制，引导相关专业进行协作数据的发布、接收、变更追踪和更改波及分析等，实现以协作数据为中心、基于弱耦合的柔性流程来支撑跨专业协作。通过非编程定制方式，在多学科协同设计系统中，既可以预先指定规范化的数据接收对象和发布数据内容，也可以临时根据项目需要，自定义或调整已有的数据发布封装所定义的数据接收对象和发布数据内容，具体如图3所示。

图3 以多学科关联对象模型为基础的多学科协同设计迭代过程

3.3 对动力传动辅助系统结构设计过程和数据的实时管理技术

提供用于动力传动辅助系统结构设计的Pro／E三维CAD软件的内嵌集成，按照动力传动辅助系统的产品结构实时管理结构设计过程和数据，衔接各专业的性能设计、结构设计与基于结构模型的分析仿真过程。同时，支持与PDM系统的对接集成。

3.4 可支持用户自主定制的系统快速非编程定制技术

系统快速非编程定制技术可以支持动力传动辅助系统各专业设计师，无须编写任何程序、即可采用非编程定制的方式，在多学科协同设计系统中实现动力传动辅助系统设计仿真流程、工具及其使用方法、设计仿真规范、设计仿真经验参数和参考模型等内容的定制拓展和优化。其主要能力体现在下述几个方面：

（1）应用程序封装库。提供对设计/仿真工具软件进行非编程封装和集成的能力。

（2）设计/仿真流程模板库。提供将经过规划或试算形成的设计/仿真流程保存为流程模板的能力。

（3）多学科关联的产品对象类型库。提供对参数级的产品数字化抽象模型（包括特性参数）进行非编程定制的能力。

（4）与各类设计数据文件的双向数据交换定制工具。提供文件解析/重构格式描述能力，无须编程即可进行文件格式描述定制，使集成系统能够与各类设计软件的数据文件进行双向数据交换。

（5）基于规范/标准/经验数据和参考模型库。提供对产品设计仿真规范/标准/经验数据和参考模型进行整合、关联和嵌入的能力。

（6）基于试算过程快速完成针对上述各种研发能力要素的定制并建立各类要素之间关联关系的能力。

4 结束语

动力传动辅助系统多学科协同设计系统，可以有效促进动力传动辅助系统各专业、各学科的知识积累和传承，集成各种现有设计仿真工具软件和将要开发的专用设计工具程序，支持动力传动辅助系统跨专业、多学科协同设计和仿真，有效管理设计迭代过程中生成的各种设计仿真数据，提高设计协作效率，大幅度减少在协作方面的低级劳动，最终达到提升方案快速设计能力、降低技术风险、减少研制成本的目的，并促进动力传动辅助系统性能的提升，以满足新一代作战车辆的发展需求。