導讀：目前，各企業也都在有意識的去改變這種困境，廣泛應用三維CAD、CAE軟件，改進設計方法、開發各類輔助工具等，但從發展趨勢來看，這僅僅只是一個起點，還不能達到設計“快速、高效、可靠”的最終目的。

背景及發展趨勢

結構設計的發展趨勢

根據研究分析，我們可將產品結構設計發展的進程分為四個階段

• 基于三維CAD的結構設計：利用三維CAD軟件代替傳統的二維圖開展設計，使結構設計變得簡單、直觀；

• 基于三維CAD二次開發的結構快速設計：在三維CAD軟件上進行二次開發、定制快速設計功能，實現由頁面參數驅動三維模板，快速生成設計模型；

• 基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化：知識構件是一種更為先進的專家系統形態，其實質是基于軟件構件化技術，實現的一系列可即插即用的執行自動化或半自動化知識型工作任務的軟件應用程序，通過這種技術，建立設計、仿真快速迭代的協同設計環境；

•  智慧設計：是指應用現代信息技術，采用計算機模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，從而使計算機能夠更多、更好地承擔設計過程中各種復雜任務，成為設計人員的重要輔助工具。

 

隨著社會的發展，當今市場對產品的要求越來越苛刻，產品更新換代越來越快、研發周期越來越短、可靠性要求越來越高，而企業又存在人員年輕化、更迭頻繁、設計手段落后等問題，這些都對產品設計帶來嚴峻的挑戰。目前，各企業也都在有意識的去改變這種困境，廣泛應用三維CAD、CAE軟件，改進設計方法、開發各類輔助工具等，但從發展趨勢來看，這僅僅只是一個起點，還不能達到設計“快速、高效、可靠”的最終目的。

傳統結構快速設計手段存在的問題

傳統結構快速設計，即基于三維CAD二次開發的結構快速設計，已經在提高建模效率、減少重復勞動方面有了較為顯著的作用，但這種應用還屬于較為簡單的手段提升，局限性很大。我們需要認識到“設計≠建模”，從長遠和全局來看，我們需要思考以下幾個問題：

• 每個設計師都對自己的設計過程和方法充滿自信，誰的更合理？

• 每個設計師都有自己的可重用數據，誰的適用性更好？

• 每個設計師積累的經驗知識，是不是隨著人員更迭在不斷流失？

• 每個設計師的設計數據交付時，是不是只能通過工藝制造的反饋被動返工？

• 每個設計師都低頭設計，如何保證數據信息的傳遞和交流的暢通？

時代背景下結構設計的要求

當前時代，結構設計早已不是單純的建模出圖，也不是根據已有參考稍作改進就可以輕松設計一個產品，而是需要真正的設計、有創新的設計、能夠迅速響應市場的設計。這就需要企業在設計環境、設計方法、流程規范、知識積累等方面，整合已有的經驗方法和資源，形成比較完善的研發體系，構筑能夠統一協作的設計環境，實現基于知識構件的結構快速設計與仿真分析一體化。其具體要求如下：

• 實現流程固化統一

• 實現設計資源整合、規范、統一

• 實現知識積累沉淀

• 實現設計分析一體化

• 實現基于同一環境的協同設計

建設思路

基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化結合，改變設計師以往的單機工作模式，通過一體化、集成化、模塊化的平臺構建架構，推動面向產品設計場景化的能力整合與應用。通過底層基礎平臺所提供的靈活業務編排能力，支持應用場景知識構件的快速構建；通過調用統一的基礎資源，應用知識構件開展設計；通過知識推送和提醒，管控設計的質量。基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，其核心是將業務層面的內容轉化為軟件層面的應用，建設思路如下（以某航天產品為例）：

1. 首先，進行業務需求分析，將產品設計涵蓋的環節、資源、數據等建立業務模型，明確構建設計與仿真一體化平臺所需整合和融入的元素。

2. 其次，需要將產品設計的流程進行梳理，并統一固化下來，通過系統建設嵌入軟件平臺，讓全體設計師遵循規范統一的設計流程。

3. 最后，需要將這些業務元素和業務流程進行分析，通過系統建設，轉化為可基于軟件平臺進行交互操作的功能。

關鍵能力分析

導航引領設計

在設計過程中，由過去的手工選擇種類繁多的軟件開展工作，轉變為根據流程導航引領開展工作。

• 系統平臺將統一固化的設計流程呈現為任務導航，導航中的各環節對應具體的設計任務，并體現數據上下游傳遞和串并行關系。

• 平臺統一管理和集成各專業軟件，軟件與任務關聯，設計師直接在對應任務頁面啟動軟件開展工作，結果數據由平臺統一管理。

便捷的資源庫

對于具體的設計任務，由過去總是從基礎的重復勞動開始，轉變為依托可重用的基礎資源開展工作。建立包括模塊模板庫、計算模板庫、規范知識庫等的知識資源庫，并通過對庫數據的分類管理和搜索查詢調用，為設計和分析提供基礎數據支撐。

• 模塊模板庫

1. 梳理常用三維模型或幾何的共性特征，建立規范統一的庫，在設計任務時直接調用，參數化驅動生成所需的幾何外形。

2. 初始的三維模型由統一來源的模板產生，減少設計差異，提高產品的重用性，有利于企業產品標準化、模塊化、系列化的形成。

• 計算模板庫

1. 整合計算校核所用的公式、規則，建立統一認可的計算資源，在迭代設計時，減少設計師手工計算或臨時編程的工作窘境，并可消除因人方法或思維不同帶來的校核結果差異。

2. 統一仿真分析工具、方法及規則，建立仿真分析模板資源，在設計分析循環迭代時，縮短從建模轉化、定義邊界、網格劃分等基礎工作開始的迭代周期，并避免不同仿真顆粒度造成的設計分歧。

• 規范知識庫

1. 整理常用標準文本、設計規范、操作指南、設計經驗等，納入知識庫統一管理，降低設計參考時，知識散落各處、版本繁多、查詢困難的不利局面。

資源推送和積累

在設計過程中，每個設計任務都有對應所需的設計模板、計算公式、仿真模板、設計規范等，為提高設計的準確性、減少設計差異、提高設計自動化程度，系統平臺實現資源按任務推送，并可根據需要將當前結果快速升級為知識庫。

• 三維設計時，根據初始條件，自動推薦設計模板。

• 計算校核時，根據校核任務，自動推薦匹配的計算公式。

• 利用模板資源衍生為新產品，當新產品具備重用性時，也可升級為知識庫。

• 設計過程中根據不同任務，關聯推送不同規范知識，可參考查看。

設計分析一體化

設計過程產生的數據需要及時驗證，才能保證其準確性、合理性。將設計和仿真分析活動進行結合，有效對設計數據進行校核迭代，在設計初期發現問題，實現設計仿真一體化。

• 設計流程中包含設計環節和分析環節，二者迭代進行，形成設計閉環。

• 設計任務和分析任務根據流程任務分解開展，設計結果自動傳遞到分析環節，分析結果也可用于設計任務的判斷和迭代。

全面協同設計

傳統設計模式的最大問題是設計團隊之間溝通不暢，形成信息孤島，后期更改困難。建立全面統一的協同設計環境，可以使得設計師之間基于同一平臺開展設計工作，保證信息的暢通、數據格式的一致、結果的實時呈現、專業間的快速匯總反饋等。

• 基于系統平臺中同一型號開展設計，設計任務由總體進行分發，不同角色任務之間通過平臺流程和上下游關系，自動推送和繼承設計條件。

• 當設計發生變更時，關聯的上下游任務將接收變更提醒，并根據提醒判斷當前是否跟隨更新。

• 同一型號下各設計任務輸出結果，將集中在門戶看板呈現，團隊成員可查看整體指標和其它相關數據，并參照進行迭代設計。

高度可擴展性

產品隨著市場的需求是千變萬化的，產品設計流程和基礎資源也應相應調整、改進、增減，因此平臺需具備高度可擴展性。

• 平臺提供靈活的擴展接口，企業可根據設計需要，對模板、公式、規則、規范等資源進行擴充。

• 平臺提供業務流程擴展功能，企業可根據設計需要，定義設計任務，修改、增加設計流程。

總結

傳統結構快速設計與基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化的對比

通過關鍵能力分析可以得知，傳統結構快速設計與基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化之間存在較大的差異。其主要表現在：

• 基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，實現了設計流程的固化，保證了企業內部設計過程的規范統一，而傳統結構快速設計僅僅是完整設計流程中的一個環節。

• 基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，實現了設計資源的企業級統一，保證企業內部設計基礎數據的來源一致，而傳統結構快速設計基于單機應用，很難保證數據版本更新等問題。

• 基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，實現了知識的沉淀和積累，將由于人員更迭而引起的經驗、方法損失降低到最小，而傳統結構快速設計僅僅是解決了快速建模問題，對于知識的重用并未涉及。

• 基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，實現了設計與分析一體化，通過快速迭代保證了設計階段數據的準確，而傳統結構快速設計僅僅是減少了部分重復勞動，對設計結果并未進行有效的校驗。

• 基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，實現了統一設計環境的協同設計，保證了信息的暢通、數據格式的一致、結果的實時呈現、專業間的快速匯總反饋等，而傳統結構快速設計還停留在個人單干的設計模式。

基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化的實施效益

通過應用基于知識構件的結構快速設計與仿真一體化，將會給企業產品研發帶來如下提升：

• 消除重復設計、顯著提高設計效率：消除了重復建立相近的裝配結構、零部件模型等工作，一般可減少重復工作量50%～70%以上，從而顯著地提高設計效率。

• 設計方法導引，降低設計難度：設計人員在系統的導引下分步驟完成設計，使設計人員有更多的精力關注在設計上，而不是消耗在模型和特征的具體操作上，降低了對設計人員的要求。

• 模型由系統產生，提高設計規范性：設計模型由統一的系統模板生成，而系統模板是經過優化建模的模型，因此可以保證系統設計生成模型的質量和規范化，消除了人為差異。

• 提高設計自動化程度：將標準規范、設計經驗和知識融入系統，植入經驗算法或公式，在設計過程中進行知識推送，對不合理的參數進行自動校核。

• 設計分析一體化：在整合現有結構分析流程的基礎上，打通“設計→分析”及“分析←設計”的中間環節，真正意義上實現設計分析循環、迭代優化設計，最終提升整體的產品設計研發效率。

• 縮短工程師培養時間：新員工使用系統按照規范的流程、方法進行設計，可防止設計失誤，快速學習和提高，節省企業的培養成本。

來源于：國睿信維