数字化设计技术导论

HuazhongUniv.ofSci.&Tech.第二讲数字化设计技术导论主讲人陈立平1《学科（专业）概论》HuazhongUniv.ofSci.&Tech.制造业竞争力的关键在于创新，设计是创新的灵魂，先进的设计理论、方法和手段是发展我国先进制造技术的关键。我国制造业的处于弱势地位（1）产品设计以逆向设计为主，创新设计能力弱于制造能力。（2）整机设计能力弱于零部件设计能力。（3）复杂机电产品设计能力弱于单纯机械产品设计能力。（4）缺乏系统的先进设计理论、方法和相关技术支撑，多“形似”、少“神似”。（5）产品开发以传统常规设计方法为主，缺乏鲁棒性设计、优化设计手段。（6）缺乏数据、经验、知识的积累和重用，需要相应的技术支撑平台。2HuazhongUniv.ofSci.&Tech.20世纪50年代以来，计算机技术的迅速发展，为工程设计、分析和优化技术带来了全面的变革。20世纪90年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的计算机辅助设计工具CAX软件在工业界得到广泛普及，产生了巨大的经济效益和社会效益，“数字化”作为显著的时代技术特征初露端倪。20世纪90年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于多体系统(multibodysystem)的复杂机械产品系统动态设计、基于多学科协同(multi-disciplinescolaberative)集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域物理建模(multi-domainphysicalmodeling)及可重用机、电、液、控数字化功能样机的分析、研究与开发，并逐步形成新一代技术和平台工具。在设计管理方面，形成产品全生命周期管理(PLM)技术。3HuazhongUniv.ofSci.&Tech.21世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线是多学科、多领域的融合与渗透是，M3P已成为当前技术研究、开发和应用的时代特征。日趋复杂的现代机电产品广泛涉及航空航天、机电制造、能源和交通等重要行业，通常是集机械、电子、液压、控制等多领域物理子系统于一体的复杂大系统，多领域物理藕合和连续一离散混合的特性是其本构描述的基本特征。因此，复杂机电产品的创新从理论、方法和技术工具三个层面对设计。4HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构数字化设计简述“数字化”是信息时代社会化的技术特征，信息时代的现代设计即数字化设计。（1）综合性它是面向需求、综合应用基础学科发展成果的工程技术方法学——“万金油”专业（2）多样性不同行业、不同领域产品需求、功能的差异性。（3）协同学现代复杂产品开发往往是通过团队协作完成的，协同性成为当今数字化设计研究的重要课题（4）集成性机电产品是由多领域（如机、电、液、控、热等领域）物理功能部件的组合而成的，即模型集成。建模：几何（结构）建模——二维绘图功能建模——三维实体造型——计算机辅助设计5HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构数字化设计简述功能建模——建立能表达对象功能、性能的模型，如位移、速度、加速度，力、应力、应变，流量、压力，电流、电压等特性参数实质是将对象的物理特性映射为数学问题：6一组数学方程，分析与仿真的内核即是方程的求解。大规模、稳健、快速的数学求解是数字化设计基础关键的共性技术。设计的最终目的是优化，建模、分析是优化设计的基础数字化设计发展：参数优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化。数字化设计技术是现代设计学的使能技术，是工程设计学、应用数学、软件技术和信息科学等多学科交叉融合的产物。它必定要承载现代设计学的理念、方法，通过数学过程，以软件为存在形式，面向广泛应用，提升设计的自动化、集成化和智能化的能力和水平。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构IT技术的发展对数字化设计技术影响20世纪80年代末：引人以C语言为宿主语言的二次开发技术ADS，进一步提升了平台的开放性，工程领域专业人员采用ADS技术，开发了大量的专业应用，成为支持二维应用的通用平台。20世纪90年代初：采用面向对象技术重构了平台架构，以C++为宿主语言，推出面向对象运行时开发技术ObjectARX（objectAutoCADruntimeextension），成为具有良好开放性和集成性成为功能强大的通用软件平台。“资源可重用、系统可重构”是嵌入式时代IT技术的重要理念标签，展开了具有时代特征的新技术研究与应用：面向服务（业务、模型）的架构，SOA（servicesorientedarchitecture）、模型驱动的设计（MDD）、模型驱动的代码自动生成技术。在嵌人式时代，机电产品的系统复杂性进一步提高，表现为机、电、液、控等多领域的高度集成与融合。：7HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构IT技术的发展对数字化设计技术影响工程技术是多学科综合技术，有明显的时代性，数字化设计是以计算机为载体、以IT应用为表现形式的关于工程设计的技术。计算机技术的发展可以用4I概括：20世纪50至60年代：交互（interactive）——交互式设计20世纪60至70年代：智能（intelligence）——智能设计20世纪70至80年代：集成（integration）——集成设计、计算机集成制造系统之后：互联网（internet）——基于互联网的协同设计IT技术在经历了PC时代、Windows时代、Internet时代后，已步人嵌人式时代，甚至物联网时代—所谓软件无处不在，芯片无处不在，软、硬件高度集成的时代。AutoDesk公司的AutoCAD的发展历程：20世纪80年代初：集成化、智能化设计需求驱动下，AutoCAD较早嵌入曾经被誉为人工智能语言的LISP，形成宿主语言AutoLISP。：8HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构人工智能与数字化设计人工智能（AI）是软件技术发展的理论基础，人工智能力图通过符号计算，实现陈述式描述的人工系统（包括问题、约束、规则等）的自动演绎、推理和求解。人工智能系统技术特点：陈述式、自适应、自组织、自学习。对于人工生命，还应当包括自复制，比如病毒程序。陈述式（declarative)机制和过程式（procedural)机制是两类相对应的表达机制。前者仅描述事实和规则，元关计算机的执行序列，强调基于客观事实的自动推理求解；后者则相反，依藏算法式的规程实现问题的求解，其实质是计算机执行指令集。陈述式的理论基础为一阶逻辑谓词（LISP、Prolog）和约束满足问题（VHDL-AMS、Modelica）。20世纪70至80年代，人工智能研究以通用问题求解器（GPS,generalproblemsolver）为命题，开展了大量理论和应用研究，许多领域专家系统（ES,expertsystem）都是以逻辑谓词语言为宿主语言，其派生的技术成果得软件更加智能化。：9HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构人工智能与数字化设计过程式表达语言在相当长的时期内占据了计算机程序语言的主导地位。被认为更接近智能技术，因而陈述式表达和过程式表达成为考量一个系统是否更灵巧的基本度量。人工智能研究的观点，设计问题本质上是一个约束满足问题（CSP,constraintsatisfactionproblem），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求设计对象的细节，引入人工智能新技术是不断地提高数字化、设计的自动化与智能化水平的重要技术手段。CAD原意为计算机辅助设计（computeraided-design），由于CAD技术是以计算机辅助二维绘图、三维造型工具在工业界得到普及的，CAD软件的设计属性被淡化，而更多地被定义为计算机辅助绘图(computeraideddrafting）。：10HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构（1）集成和协同1）虽然集成与协同经常伴生出现，但它们是不同的两个概念。集成是一种客观存在，与人元关。2）集成是可分解的，如子系统、子模块、零部件等。3）集成是工程领域的基本方法，并非源于信息技术。4）复杂产品是由不同功能元（部）器件组合而成的，而产品是模型集成。5）模型集成不等于信息集成，模型的内涵和表现形式均高于信息。6）模型集成的科学依据是广义基尔霍夫第一、第二定理。7）协同有动态和静态两个属性。“协”刻画其动态特性，即团队、群体间的协作；“同”描述其静态属性，“同”即是一种约定、协议或标准，如互联网TCP/IP协议，机械工程中的各类互换标准等。：11HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构（2）产品集成协同开发的组成与机理北方交通大学查建中教授提出的3V设计空间描述方法1）产品开发的三维空间产品开发可用以设计对象、设计方法、设计进程构成的三维空间来表述，三个坐标轴均嵌入一个子空间——域，分别为对象域、方法域、进程域。：12对象域——由对象知识、对象数学、对象几何构成，其活动的主体是工程领域专家和技术专业人员，面向需求，与工程行业领域相关。方法域——由建模、分析、评价构成，其活动的主体是基础学科的专家，其工作的主要目标是为工程问题提供基础的、共性的理论、方法和于段。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构13进程域——由进程环境、进程硬件、进程模式构成，其活动的主体是信息技术领域的专家。产品集成协同开发的七个方面a）集成〈对象域〉以领域专家为主，面向行业需求实现各专业知识的积累、共享和重用，几何模型与知识模型的融合，知识模型的数学映射。b）集成〈方法，工具〉以基础科学（如数学）专家为主，以IT为手段，实现基础理论工具化；面向工程应用，实现工具间数据集成。c）进程协同集成以系统动力学为基础，以IT技术为手段，面向企业及企业间，实现各类业务过程（进程）的有效协同与集成。d）集成〈知识，工具〉着重解决在通用工具平台中嵌入知识的问题，使工具更加智能化，知识自动生成专业工具。e）集成〈工具，进程〉基于数据库和工作流等技术，将工具及其数据集成应用，如产品数据管理技术等。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构对象几何：对象几何以实体的几何表达NURBS和几何布尔运算为标志。对象数学：科学研究的模式大致为发现问题，弄清机理，通过建立一套简捷的符号形式——数学描述，再现机理。14f）集成〈知识，进程〉如何在企业乃至企业间产品研发的过程中有效地发现知识、共享知识、重用知识以及管理知识，是知识工程关键的使能技术，是理论探索的重要课题。g）集成〈知识，工具、进程〉终极目标，物联网时代需要全面审视研究域间的协同集成。2）对象域对象域直接与工程应用相关，是数字化设计技术体系的重要组成部分。知识及知识处理（知识发现、知识表达、知识共享、知识重用等）是对象域的主要研究内容。HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构产品集成协同开发的解构目前在工程技术领域所涉及的数学形式大致如下。代数方程（AE,algebraicequation)如牛顿第二定理、机构运动学方程，以及在机械工程中大量的传统的计算公式等。微分方程（DE,differentialequation)如牛顿第一定理、质点系振动方程等。偏微分方程（PDE,partialdifferentialequation)在实际工程问题中，存在大量与连续空间相关的各类物理场问题，如应力应变场、热扩散、流场、等，其本构均表现为偏微分方程形式。离散事件方程复杂机电装备产品是多学科功能器件的综合集成，既有连续变化的过程，复杂机电装备系统通常为连续离散混合的非线性动态系统。15HuazhongUniv.ofSci.&Tech.2.1数字化设计技术解构产品集成协