CIMS-B5-工程分析优化

现代集成制造系统技术

——工程分析与综合优化设计CIMS（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）西北工业大学许建ujx@CIMS提纲概念、技术和功能1数字化设计2数字化管理4数字化制造3集成与协同5结束语6提纲计算机辅助工程分析1产品概念优化设计2多学科设计优化实例4多学科设计优化3计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析（CAE），泛指通过计算机系统提供的强大计算和分析工具，对产品模型进行工程分析计算、校核和仿真模拟的技术。借助于CAE，可取代相当部分的传统物理试件和试验，设计者能够更快捷、更容易地判断所设计的产品功能、性能和各种指标的优劣，进行设计方案的校验、评价分析和仿真优化，甚至能够实现某些物理实验难以做到的分析评价及仿真，减少了物理试验及试件的制作，从根本上改变了传统设计中依赖试凑、类比和定性分析的原始作法，实现迅速、直观、准确的量化评价和预测。重要的是：借助于计算机辅助工程分析，能够在设计的早期，依据科学预测与数值分析，提高了设计的决策水平和能力。目前，计算机辅助工程分析多应用在产品结构静动力学分析、装配件结构分析；变形装配件公差分析、气动分析、流场分析等。CAE（1）应力分析应力分析可用来改进结构设计或工艺设计。一般先建立结构件的三维几何模型，根据应力分析的要求，简化有限元分析模型和进行网格划分，妥善解决CAD模型与CAE模型的数据交换问题，在CAE软件中通过对产品结构的有限元模型进行模拟加载的变形分析，调整CAD中的结构设计。CAE（2）运动学分析分析机构运动，检查干涉碰撞，验证系统、零部件的动力学性能，例如在高速运动下的振动和变形等。CAECAE热分析CAE计算机辅助气动分析CFD与流场分析CAE计算机辅助气动分析CFD与流场分析提纲计算机辅助工程分析1产品概念优化设计2多学科设计优化实例4多学科设计优化3产品概念设计与综合设计优化技术产品的概念设计是形成产品的创造性阶段，概念设计的目标是根据用户需求，定义、设计出一个新的产品方案。概念设计对降低用户采购、使用维护等费用具有决定性的影响。在概念设计时，对产品的约束最少，各种可能的选择也最多。分析表明，在产品开发早期设计阶段若增加小量投入（全生命周期费用的1~2%）以提高开发产品的决策水平与能力，可大幅度降低生命周期的总费用（超过25%）。提高开发产品的决策水平与能力需要系统综合分析、设计优化方法与数字化技术的结合，称之为系统综合设计优化技术。产品概念设计与综合设计优化技术波音公司的一个有关统计：飞机生命周期总成本由开发成本（占20%）、采购成本（占32%-主要由设计和制造费用构成）和使用与服务成本（占48%）三部分组成。节点2以前相当于完成原理型样机的概念设计阶段，从粗实线表示的曲线可知，相当于飞机生命周期总成本的80%以上已经受概念设计和之前的设计决策的影响而成为定局，而此时，实际上真正耗费掉的费用只有生命周期总费用的10%左右（点划线表示的曲线），节点2以后飞机开发和生产制造等所做的工作，对生命周期总成本的影响程度不大。可见，无论是从飞机总体性能、品质，或者是从飞机开发、生产、使用、维护等过程的总体来看，早期需求分析与概念设计是提高飞机品质和降低全生命周期费用的最关键阶段，是应该从管理和技术上进行改革和创新的、最具潜力的空间。产品概念设计与综合设计优化技术现代机械产品，基本上都是复杂的工程系统，因此产品的系统总体方案设计，即概念设计，是涉及多学科的综合、分析、设计优化的创新过程，要考虑产品的全面性能品质、成本和时间进度等，同样，部件和一些关键零件也有概念设计的问题，例如航空发动机的压气机、涡轮部件、叶片零件的设计都要考虑气动、热力、结构、成本等的系统综合设计问题。根据系统的复杂性理论，复杂系统的总体表现是在一定环境和约束条件下，系统内多个子系统互相作用的结果，表现为各子系统间互相适应而达到的一种综合平衡的健壮稳态。具体地说，在进行复杂工程系统的设计时，需要根据性能需求和约束，设计出具有最佳状态表现的系统总体参数，同时设计出构成这个总体的、有着各自性能表现特点的、互相作用的各个子系统的设计参数。产品概念设计与综合设计优化技术产品概念设计与综合设计优化技术一般在概念设计开始时，根据主要性能要求作一个初始的设计，建立一个初始的模型。之后在初始模型的基础上，通过试验、分析计算、改进和完善，逐步满足多目标所要求的复杂程度，逐步接近最终产品总体目标的要求，直至原型机试验满意，完成原型机的系统设计。上述系统设计的方法，可以形象地表示为系统综合设计优化的方法，也就是产品概念设计的系统方法，系统设计方法的实践过程是综合、分析与决策反复迭代螺旋上升的过程。产品概念设计与综合设计优化技术产品概念设计与综合设计优化技术首先是建立一个具有初始设计参数描述系统的模型（目标产品），然后应用多学科设计优化方法（MDO），进行系统与子系统的分析和设计优化计算，获得系统与子系统的新设计参数值，用以修改前次模型中的设计参数值而得到目标产品的新模型，进行仿真试验和分析后，再次修改模型中设计参数，再进行多学科设计优化，直至获得一个经过仿真分析验证、具有优化设计参数的最终的产品设计为止。这种综合设计优化的过程符合系统工程中系统的定义过程。产品概念设计与综合设计优化技术综合设计优化的方法与信息技术相结合，成为用于辅助综合设计优化的数字化产品开发技术，包括有下述四方面的方法与技术：建立产品设计目标的优化模型，一般表示为参数化形式的数学模型，描述设计变量与系统行为状态的函数关系，以系统的行为优化为前提，求得对应的设计变量。优化模型描述了产品行为，是概念设计阶段上描述产品的数字样机中关键组成部分。仿真，设置环境条件，观察、分析所设计的系统行为状态，分析设计变量的可行性，提供决策的判断。数字化仿真用各种工程应用的计算机辅助工程分析的软件来进行。多学科设计优化方法MDO，表示在多个学科设计空间进行分析和优化计算。可用适用的计算机辅助优化计算软件进行；综合设计优化技术的信息集成平台,用来提供对综合设计优化过程的集成管理功能，包括了建立和管理设计过程、数字样机的管理、工具软件和其他资源的管理，平台还提供通讯等其他服务的功能等。提纲计算机辅助工程分析1产品概念优化设计2多学科设计优化实例4多学科设计优化3多学科设计优化多学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization,缩写为MDO）方法，是通过研究复杂工程系统和子系统交互影响协同作用，应用于复杂工程系统与子系统的分析与设计的方法。这种系统设计方法，有着分析、综合权衡和选择最优的作用，同时它又是一种数值计算方法，就是说，MDO是通过数值计算来进行多学科问题的分析、综合权衡和求解选优的。现代多学科设计优化方法在工程应用上，正在发展成为一种比较完整的系统工程技术，功能上有：优化数学模型建立、优化规划、数值计算与分析、优化结果仿真试验分析、设计结果数值的可靠性分析、设计变量优化选择决策等。多学科设计优化方法应用于工程系统的设计，使作出的设计决策能依据于数值计算与仿真分析的科学基础，这在系统设计开发方法与技术上，是一个质的进步，大大提高了设计质量、设计效率，降低了开发成本。多学科设计优化优化计算过程为：建立优化模型后，先利用实验设计方法（DOE）进行优化值的初始选取，然后再选择更合适的优化方法计算，将结果送入仿真程序分析结果的可行性。目前已有一些商用软件可以进行计算机辅助优化计算（CAO），应用时，如需要，可以采用多种方法从技术上解决CAD、CAE、CAO软件之间的数据交换或共享问题,例如建立集成的CAD/CAE产品模型，或建立CAD、CAE模型之间的直接转换，以产品模型为基础的集成或转换,设计模型参数直接与CAD、CAE、CAO等模型中的参数交换等。多学科设计优化多学科设计优化方法在产品开发中的应用，在国外已有10年以上的历史，取得了明显重要的效果。例如,GE公司GE90涡扇发动机的设计（1992年），应用多学科设计优化方法进行设计，使总体性能有明显的改善。该设计用了4周时间研究分析建立优化模型，两个星期进行计算，将原有7级低压涡轮减少为6级涡轮。减轻了发动机重量和制造成本，仍保持了原定发动机的性能。为此，每台发动机节约了材料与制造费用25万美元，同时减轻了200-250磅重量，相当于减少1%的燃油消耗率，效果显著。多学科设计优化航空发动机叶片设计是典型的多学科设计优化问题，要考虑将气动-机械-热-寿命-制造等多目标的要求于一体。航空发动机叶片的一般设计流程中，有叶片的几何形状设计、热力学分析、气动分析及结构分析，需要使用CAD工具设计几何形状，有限元（FEM）软件分析结构强度，还要将气动力学软件工具（CFD）和热分析软件一起联合应用，并应用多学科设计优化计算软件MDO进行多学科优化计算，完成叶片的设计。普惠公司（Pratt&Whitney）等应用MDO软件与叶型几何设计软件、气动分析软件（CFD，即仿真分析）等集成，自动地进行叶型设计，保证了叶型多目标设计的综合优化，大大提高了设计、制造新型叶片的效率多学科设计优化在多学科设计优化技术应用于集成的系统综合设计优化时，需要根据产品开发的系统设计过程，与其它设计、分析、制造等应用工具相结合集成应用，建立综合设计优化的信息集成环境。多学科设计优化美国DD-21项目是在概念设计阶段应用综合设计优化技术进行一个新武器系统实际开发的项目。该项目于1995年启动，1998年开始进入开发阶段，1998-1999年间有两家公司参与竞争合同，各自进行需求分析，确定DD-21驱逐舰的系统和支援系统的具体需求。在2000-2001年间，这两家公司各自进行了概念设计，建立描述DD-21系统行为的数字样机“SPM”，2001-2004年间通过对各自开发的DD-21SPM的试验、验证，最后选择了与洛克希德·马丁公司（Lookheed.Martin）签定合同，开展全面的详细设计。按计划，将于2004-2008年间，以每年建造三艘的进度，并行地进行详细设计与制造，至2009年完成组建32艘DD-21级的舰队。多学科设计优化多学科设计优化多学科设计优化“联邦智能产品环境”FIPER（FederatedIntelligentProductEnvironment）项目是美国GE公司[等在1999-2003.12期间所承担的美国商务部国家标准与技术研究院NIST（NationalInstituteofStandardandTechnology）先进计划中的一个项目，目的是适应“企业-企业”（BusinesstoBusiness）的电子商务，建立先进的工程设计环境，在从需求分析到设计、制造的全过程中，推动多学科分析与优化技术的应用。其主要研究和开发的技术内容围绕“过程集成与产品设计优化”（ProcessIntegrationandDesignOptimization）的需求，发展联邦式的异地分布合作智能产品环境支持产品设计优化。FIPER工程背景对象是GE公司的航空发动机设计。FIPER项目所发展的分布、合作智能产品环境，可使进行中的设计工作通过网络准确地访问存储在模型数据库里的产品数据，使参加综合设计的成员在不同的工作地点能够交互地进行合作。多学科设计优化建立航空发动机