數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)論課件

第二講

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)論主講人《學(xué)科（專(zhuān)業(yè)）概論》1

制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵在于創(chuàng)新，設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的靈魂，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、方法和手段是發(fā)展我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。我國(guó)制造業(yè)的處于弱勢(shì)地位（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)以逆向設(shè)計(jì)為主，創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力弱于制造能力。（2）整機(jī)設(shè)計(jì)能力弱于零部件設(shè)計(jì)能力。（3）復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力弱于單純機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。（4）缺乏系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理論、方法和相關(guān)技術(shù)支撐，多“形似”、少“神似”。（5）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)方法為主，缺乏魯棒性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。（6）缺乏數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)的積累和重用，需要相應(yīng)的技術(shù)支撐平臺(tái)。221世紀(jì)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展的主線是多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合與滲透是，M3P已成為當(dāng)前技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的時(shí)代特征。

日趨復(fù)雜的現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品廣泛涉及航空航天、機(jī)電制造、能源和交通等重要行業(yè)，通常是集機(jī)械、電子、液壓、控制等多領(lǐng)域物理子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜大系統(tǒng)，多領(lǐng)域物理藕合和連續(xù)一離散混合的特性是其本構(gòu)描述的基本特征。因此，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新從理論、方法和技術(shù)工具三個(gè)層面對(duì)設(shè)計(jì)。42.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述功能建?！⒛鼙磉_(dá)對(duì)象功能、性能的模型，如位移、速度、加速度，力、應(yīng)力、應(yīng)變，流量、壓力，電流、電壓等特性參數(shù)實(shí)質(zhì)是將對(duì)象的物理特性映射為數(shù)學(xué)問(wèn)題：一組數(shù)學(xué)方程，分析與仿真的內(nèi)核即是方程的求解。大規(guī)模、穩(wěn)健、快速的數(shù)學(xué)求解是數(shù)字化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)關(guān)鍵的共性技術(shù)。設(shè)計(jì)的最終目的是優(yōu)化，建模、分析是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)字化設(shè)計(jì)發(fā)展：參數(shù)優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)的使能技術(shù)，是工程設(shè)計(jì)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、軟件技術(shù)和信息科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。它必定要承載現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)的理念、方法，通過(guò)數(shù)學(xué)過(guò)程，以軟件為存在形式，面向廣泛應(yīng)用，提升設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、集成化和智能化的能力和水平。62.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)IT技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)影響

20世紀(jì)80年代末：引人以C語(yǔ)言為宿主語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)ADS，進(jìn)一步提升了平臺(tái)的開(kāi)放性，工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人員采用ADS技術(shù)，開(kāi)發(fā)了大量的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，成為支持二維應(yīng)用的通用平臺(tái)。20世紀(jì)90年代初：采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)重構(gòu)了平臺(tái)架構(gòu)，以C++為宿主語(yǔ)言，推出面向?qū)ο筮\(yùn)行時(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)ObjectARX（objectAutoCADruntimeextension），成為具有良好開(kāi)放性和集成性成為功能強(qiáng)大的通用軟件平臺(tái)。“資源可重用、系統(tǒng)可重構(gòu)”是嵌入式時(shí)代IT技術(shù)的重要理念標(biāo)簽，展開(kāi)了具有時(shí)代特征的新技術(shù)研究與應(yīng)用：面向服務(wù)（業(yè)務(wù)、模型）的架構(gòu)，SOA（servicesorientedarchitecture）、模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)（MDD）、模型驅(qū)動(dòng)的代碼自動(dòng)生成技術(shù)。在嵌人式時(shí)代，機(jī)電產(chǎn)品的系統(tǒng)復(fù)雜性進(jìn)一步提高，表現(xiàn)為機(jī)、電、液、控等多領(lǐng)域的高度集成與融合。：72.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)IT技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)影響工程技術(shù)是多學(xué)科綜合技術(shù)，有明顯的時(shí)代性，數(shù)字化設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)為載體、以IT應(yīng)用為表現(xiàn)形式的關(guān)于工程設(shè)計(jì)的技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展可以用4I概括：20世紀(jì)50至60年代：交互（interactive）——交互式設(shè)計(jì)20世紀(jì)60至70年代：智能（intelligence）——智能設(shè)計(jì)20世紀(jì)70至80年代：集成（integration）——集成設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)之后：互聯(lián)網(wǎng)（internet）——基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)IT技術(shù)在經(jīng)歷了PC時(shí)代、Windows時(shí)代、Internet時(shí)代后，已步人嵌人式時(shí)代，甚至物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代—所謂軟件無(wú)處不在，芯片無(wú)處不在，軟、硬件高度集成的時(shí)代。AutoDesk公司的AutoCAD的發(fā)展歷程：20世紀(jì)80年代初：集成化、智能化設(shè)計(jì)需求驅(qū)動(dòng)下，AutoCAD較早嵌入曾經(jīng)被譽(yù)為人工智能語(yǔ)言的LISP，形成宿主語(yǔ)言AutoLISP。：82.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)人工智能與數(shù)字化設(shè)計(jì)人工智能（AI）是軟件技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，人工智能力圖通過(guò)符號(hào)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)陳述式描述的人工系統(tǒng)（包括問(wèn)題、約束、規(guī)則等）的自動(dòng)演繹、推理和求解。

人工智能系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)：陳述式、自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)。對(duì)于人工生命，還應(yīng)當(dāng)包括自復(fù)制，比如病毒程序。

陳述式（declarative)機(jī)制和過(guò)程式（procedural)機(jī)制是兩類(lèi)相對(duì)應(yīng)的表達(dá)機(jī)制。前者僅描述事實(shí)和規(guī)則，元關(guān)計(jì)算機(jī)的執(zhí)行序列，強(qiáng)調(diào)基于客觀事實(shí)的自動(dòng)推理求解；后者則相反，依藏算法式的規(guī)程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的求解，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令集。

陳述式的理論基礎(chǔ)為一階邏輯謂詞（

LISP、Prolog）和約束滿足問(wèn)題（VHDL-AMS、Modelica）。20世紀(jì)70至80年代，人工智能研究以通用問(wèn)題求解器（GPS,generalproblemsolver）為命題，開(kāi)展了大量理論和應(yīng)用研究，許多領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)（ES,expertsystem）都是以邏輯謂詞語(yǔ)言為宿主語(yǔ)言，其派生的技術(shù)成果得軟件更加智能化。：92.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)（1）集成和協(xié)同1）雖然集成與協(xié)同經(jīng)常伴生出現(xiàn)，但它們是不同的兩個(gè)概念。集成是一種客觀存在，與人元關(guān)。2）集成是可分解的，如子系統(tǒng)、子模塊、零部件等。3）集成是工程領(lǐng)域的基本方法，并非源于信息技術(shù)。4）復(fù)雜產(chǎn)品是由不同功能元（部）器件組合而成的，而產(chǎn)品是模型集成。5）模型集成不等于信息集成，模型的內(nèi)涵和表現(xiàn)形式均高于信息。6）模型集成的科學(xué)依據(jù)是廣義基爾霍夫第一、第二定理。7）協(xié)同有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)屬性?！皡f(xié)”刻畫(huà)其動(dòng)態(tài)特性，即團(tuán)隊(duì)、群體間的協(xié)作；“同”描述其靜態(tài)屬性，“同”即是一種約定、協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)，如互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，機(jī)械工程中的各類(lèi)互換標(biāo)準(zhǔn)等。：112.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)（2）產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的組成與機(jī)理

北方交通大學(xué)查建中教授提出的3V設(shè)計(jì)空間描述方法1）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的三維空間

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可用以設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)進(jìn)程構(gòu)成的三維空間來(lái)表述，三個(gè)坐標(biāo)軸均嵌入一個(gè)子空間——域，分別為對(duì)象域、方法域、進(jìn)程域。：對(duì)象域——由對(duì)象知識(shí)、對(duì)象數(shù)學(xué)、對(duì)象幾何構(gòu)成，其活動(dòng)的主體是工程領(lǐng)域?qū)＜液图夹g(shù)專(zhuān)業(yè)人員，面向需求，與工程行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)。方法域——由建模、分析、評(píng)價(jià)構(gòu)成，其活動(dòng)的主體是基礎(chǔ)學(xué)科的專(zhuān)家，其工作的主要目標(biāo)是為工程問(wèn)題提供基礎(chǔ)的、共性的理論、方法和于段。122.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)進(jìn)程域——由進(jìn)程環(huán)境、進(jìn)程硬件、進(jìn)程模式構(gòu)成，其活動(dòng)的主體是信息技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家。產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的七個(gè)方面a）集成〈對(duì)象域〉

以領(lǐng)域?qū)＜覟橹鳎嫦蛐袠I(yè)需求實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)知識(shí)的積累、共享和重用，幾何模型與知識(shí)模型的融合，知識(shí)模型的數(shù)學(xué)映射。b）集成〈方法，工具〉

以基礎(chǔ)科學(xué)（如數(shù)學(xué)）專(zhuān)家為主，以IT為手段，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論工具化；面向工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工具間數(shù)據(jù)集成。c）進(jìn)程協(xié)同集成

以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，以IT技術(shù)為手段，面向企業(yè)及企業(yè)間，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)業(yè)務(wù)過(guò)程（進(jìn)程）的有效協(xié)同與集成。d）集成〈知識(shí)，工具〉

著重解決在通用工具平臺(tái)中嵌入知識(shí)的問(wèn)題，使工具更加智能化，知識(shí)自動(dòng)生成專(zhuān)業(yè)工具。e）集成〈工具，進(jìn)程〉

基于數(shù)據(jù)庫(kù)和工作流等技術(shù)，將工具及其數(shù)據(jù)集成應(yīng)

用，如產(chǎn)品

數(shù)據(jù)管理技術(shù)等。132.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)

對(duì)象幾何：對(duì)象幾何以實(shí)體的幾何表達(dá)NURBS和幾何布爾運(yùn)算為標(biāo)志。對(duì)象數(shù)學(xué)：科學(xué)研究的模式大致為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，弄清機(jī)理，通過(guò)建立一套簡(jiǎn)捷的符號(hào)形式——數(shù)學(xué)描述，再現(xiàn)機(jī)理。f）集成〈知識(shí)，進(jìn)程〉

如何在企業(yè)乃至企業(yè)間產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程中有效地發(fā)現(xiàn)知識(shí)、共享知識(shí)、重用知識(shí)以及管理知識(shí)，是知識(shí)工程關(guān)鍵的使能技術(shù)，是理論探索的重要課題。g）集成〈知識(shí)，工具、進(jìn)程〉

終極目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需要全面審視研究域間的協(xié)同集成。2）對(duì)象域

對(duì)象域直接與工程應(yīng)用相關(guān)，是數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系的重要組成部分。知識(shí)及知識(shí)處理（知識(shí)發(fā)現(xiàn)、知識(shí)表達(dá)、知識(shí)共享、知識(shí)重用等）是對(duì)象域的主要研究?jī)?nèi)容。142.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)目前在工程技術(shù)領(lǐng)域所涉及的數(shù)學(xué)形式大致如下。代數(shù)方程（AE,algebraicequation) 如牛頓第二定理、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以及在機(jī)械工程中大量的傳統(tǒng)的計(jì)算公式等。微分方程（DE,differentialequation) 如牛頓第一定理、質(zhì)點(diǎn)系振動(dòng)方程等。偏微分方程（PDE,partialdifferentialequation) 在實(shí)際工程問(wèn)題中，存在大量與連續(xù)空間相關(guān)的各類(lèi)物理場(chǎng)問(wèn)題，如應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、熱擴(kuò)散、流場(chǎng)、等，其本構(gòu)均表現(xiàn)為偏微分方程形式。離散事件方程

復(fù)雜機(jī)電裝備產(chǎn)品是多學(xué)科功能器件的綜合集成，既有連續(xù)變化的過(guò)程，復(fù)雜機(jī)電裝備系統(tǒng)通常為連續(xù)離散混合的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

152.1數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)解構(gòu)產(chǎn)品集成協(xié)同開(kāi)發(fā)的解構(gòu)

模型集成是通過(guò)連接（connectors）實(shí)現(xiàn)的，連接是一種特殊的模型，接口是人為的，用于程序、模塊之間的信息（如數(shù)據(jù)、參數(shù)等），僅在邏輯上存在。連接是一種物理存在?？梢岳斫鉃闄C(jī)電系統(tǒng)內(nèi)能量傳遞的端口。

模型集成（連接）的科學(xué)依據(jù)是基爾霍夫第一、第二定理，即系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的勢(shì)函數(shù)相等；流經(jīng)節(jié)點(diǎn)的流函數(shù)之和等于零。172.2幾何建模技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)大致經(jīng)歷了幾何建模、實(shí)體建模和參數(shù)化特征建模等技術(shù)階段，形成了特有的技術(shù)：幾何引擎（ACIS,parasolid）、幾何約束引擎CDcubed）、顯示引擎（hoops）、特征編碼技術(shù)等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)不足：1）強(qiáng)于幾何設(shè)計(jì)，弱于功能設(shè)計(jì)，無(wú)論二維CAD軟件和三維CAD軟件均屬繪圖工具，還不能為產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)提供更多的輔助于段。2）強(qiáng)于信息集成，弱于模型集成，除提供幾何模型外，在產(chǎn)品功能建模和性能優(yōu)化方面缺乏輔助能力。

二維平臺(tái)的主要產(chǎn)品AutoCAD、Microstation等，三維平臺(tái)的主要產(chǎn)品有Catia、Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge、Inventor。182.2幾何建模技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展技術(shù)現(xiàn)狀

三維參數(shù)化造型問(wèn)題：1）束縛于參數(shù)化過(guò)程，工程師主要精力耗于過(guò)程式參數(shù)化技術(shù)造型中。2）模型的修改必須符合參數(shù)造型規(guī)則，模型重構(gòu)的靈活性受到限制，全參數(shù)化復(fù)雜模型的構(gòu)建很復(fù)雜，難度大，參數(shù)修改模型重構(gòu)經(jīng)常失敗。3）由于必須記錄造型的過(guò)程，導(dǎo)致模型文件龐雜，對(duì)于相同的零件，工程師以不同造型方式產(chǎn)生的模型差異很大。4）三維平臺(tái)的造型歷史過(guò)程記錄被廠家視為核心機(jī)密，元法公開(kāi)，導(dǎo)致模型的跨平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)非常困難。192.2幾何建模技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展與過(guò)程無(wú)關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

2008年UGS.SolidEdgev18推出同步建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了VGX（variationalgeometryextended）的技術(shù)目標(biāo)。德國(guó)CoCreate公司也于20世紀(jì)初推出了與過(guò)程無(wú)關(guān)的造型系統(tǒng)OneSpace。2000年SolidWorks公司開(kāi)發(fā)出Spaceclaim。未來(lái)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)：1）輕量化、靈巧化輕量化

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模型輕便，設(shè)計(jì)計(jì)算量至少為現(xiàn)有技術(shù)的1/20，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和協(xié)同工作。靈巧化

秉承Windows理念，幾乎不用專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)。2）模型可重用，跨平臺(tái)

大大弱化了模型與平臺(tái)的相關(guān)性。此類(lèi)CAD軟件可以從其他平臺(tái)“拷貝”、“粘貼”三維特征，用于再設(shè)計(jì)。3）向下游拓展延伸

解除了參數(shù)化與特征的依藏關(guān)系，同時(shí)也解除了特征與過(guò)程的關(guān)系，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)非過(guò)程化（陳述性）的技術(shù)發(fā)展，為三維CAD軟件向產(chǎn)品研發(fā)的下游拓展延伸提供了技術(shù)可能。202.3功能建模與分析技術(shù)

建模分析與仿真軟件通常稱(chēng)為計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE,computeraidedengineering）軟件。正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

212.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

（1）計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

正向設(shè)計(jì)分析流程可大致分為設(shè)計(jì)階段與分析驗(yàn)證階段。與之相對(duì)應(yīng)，CAE軟件可分為兩大類(lèi)：面向設(shè)計(jì)階段的CAE軟件，如Carsim、Romax、ve-DYNA等；面向分析驗(yàn)證階段的CAE軟件，如Adams、有限元軟件等。1）應(yīng)用比較

面向設(shè)計(jì)階段CAE軟件以目標(biāo)性能為輸入，輸出下一級(jí)子系統(tǒng)的目標(biāo)性能或部件的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值，分析軟件使用者是設(shè)計(jì)工程師，其職責(zé)為把握產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的大方向，并為各種設(shè)計(jì)參數(shù)提供初步設(shè)計(jì)值。

以正向開(kāi)發(fā)為主的產(chǎn)品，面向設(shè)計(jì)階段的CAE軟件的重要性比面向分析驗(yàn)證階段的CAE軟件更為重要。

面向分析驗(yàn)證階段的CAE軟件以系統(tǒng)或部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)初步設(shè)計(jì)值為輸入，輸出系統(tǒng)或部件的仿真性能，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)初值。

CAE軟件使用者是分析工程師。模型參數(shù)來(lái)源于試驗(yàn)，因此驗(yàn)證分析工作需要試驗(yàn)工程師的配合。222.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

專(zhuān)用類(lèi)

用于在給定目標(biāo)性能的情況下，確定子系統(tǒng)或部件的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)值，或用于硬件在環(huán)仿真確定控制策略。其模型一般由解析的或半解析的表達(dá)式構(gòu)成，但在必要情況下也可由數(shù)值模型構(gòu)成。法規(guī)校核類(lèi)

用于通過(guò)優(yōu)選某些設(shè)計(jì)參數(shù)使產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足行業(yè)法規(guī)，模型通常由較簡(jiǎn)單的解析或半解析表達(dá)式構(gòu)成。

面向分析驗(yàn)證階段的CAE軟件可分為：集中參數(shù)類(lèi)

模型的數(shù)學(xué)形式多為微分方程或微分代數(shù)方程組，多用于多功能組件集成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析。分布參數(shù)類(lèi)

工程中存在大量的場(chǎng)問(wèn)題，其模型本構(gòu)為偏微分方程，在計(jì)算固體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等數(shù)值計(jì)算科學(xué)中通常用有限元或差分法將其離散為代數(shù)方程求解，分布參數(shù)類(lèi)CAE軟件即多用于此類(lèi)計(jì)算中。242.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

4）應(yīng)用普及程度比較

面向設(shè)計(jì)階段的分析軟件沒(méi)有面向分析驗(yàn)證階段的軟件成熟、普及程度大，因?yàn)椋?/p>

合理構(gòu)造某類(lèi)產(chǎn)品的抽象模型存在一定的難度。許多行業(yè)的抽象模型尚不成熟，如何構(gòu)造一系列的數(shù)學(xué)模型，使一個(gè)抽象的設(shè)計(jì)概念能逐步具體化為產(chǎn)品的具體拓?fù)錁?gòu)成，并在每一階段都能提出較明確的量化指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行約束，有待深入研究。

兩類(lèi)軟件的研發(fā)人員不同。研發(fā)面向設(shè)計(jì)階段的CAE軟件的人員既要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又要對(duì)行業(yè)自身的設(shè)計(jì)理論有深刻理解，其通常為行業(yè)內(nèi)的基礎(chǔ)研究人員。此類(lèi)分析工具被視為企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，非特殊情況不做技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)瑢?duì)一些所謂的敏感技術(shù)甚至禁止轉(zhuǎn)讓?zhuān)绕鋵?duì)中國(guó)。目前提供設(shè)計(jì)分析技術(shù)的供應(yīng)商都有很強(qiáng)的工業(yè)背景

面向分析驗(yàn)證階段的CAE軟件通常是相關(guān)計(jì)算科學(xué)的軟件化，其研發(fā)人員由專(zhuān)業(yè)的計(jì)算科學(xué)研究人員擔(dān)任，軟件通用性強(qiáng)，針對(duì)的市場(chǎng)面寬，多由軟件公司開(kāi)發(fā)，因此得到普及。252.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

2）對(duì)主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)下游供應(yīng)商的量化控制；在產(chǎn)業(yè)分工中，主機(jī)廠下達(dá)給下游供應(yīng)商的是抽象的子系統(tǒng)性能指標(biāo)而不是終端元件的參數(shù)指標(biāo)。3）對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，不知道如何提高子系統(tǒng)的性能競(jìng)爭(zhēng)力；對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，子系統(tǒng)終端元件的設(shè)計(jì)參數(shù)甚至拓?fù)錁?gòu)成是核心機(jī)密，元法預(yù)知子系統(tǒng)對(duì)整機(jī)性能的影響。（3）模型集成的實(shí)施與實(shí)現(xiàn)

模型集成的實(shí)施與實(shí)現(xiàn)是今后數(shù)字化設(shè)計(jì)研究的重要方向。對(duì)于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)難以直接建模，多通過(guò)模塊化分治（division&.conquer）實(shí)現(xiàn)，即自頂向下地將系統(tǒng)分為子系統(tǒng)，直至元器件（組件），分解的基本原則是最終組件的機(jī)理通過(guò)定理、規(guī)則以及圖表可直接描述。

在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在模型描述方面制定了硬件描述標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言VHDL-AMS，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成電路(IC）領(lǐng)域基于模型集成的模塊化設(shè)計(jì)自動(dòng)計(jì)算。目前工業(yè)界依賴(lài)于不同軟件工具的模型很難以物理連接方式實(shí)現(xiàn)模塊集成。272.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

（4）基于接口的多領(lǐng)域建模方法

目前最為普遍的多領(lǐng)域建模方法是基于接口的方法。

首先利用某領(lǐng)域商用仿真軟件完成該領(lǐng)域模型的構(gòu)建，然后利用各個(gè)不同領(lǐng)域商用仿真軟件之間的接口，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域建模。

在仿真的時(shí)候，通常利用各領(lǐng)域商用仿真軟件提供的協(xié)同仿真功能，實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域模型之間的協(xié)同仿真，即各模型在仿真離散時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)程間通信等方法進(jìn)行相互的信息交換，然后利用各自的求解器進(jìn)行求解。

典型的如機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS提供了與控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB/Simulink、MATRIX的接口，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械多體動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)模型的協(xié)同仿真。282.3功能建模與分析技術(shù)聯(lián)邦由聯(lián)邦對(duì)象模型、若干聯(lián)邦成員（可以是真實(shí)實(shí)體仿真系統(tǒng)、構(gòu)造或虛擬仿真系統(tǒng)以及一些輔助性的仿真應(yīng)用，如聯(lián)邦運(yùn)行管理控制器、數(shù)據(jù)收集器等）和運(yùn)行時(shí)間支撐系統(tǒng)（RTI,runtimeinfrastructure）構(gòu)成。正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

HLA定義的聯(lián)邦系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放性的分布式仿真系統(tǒng)，具有系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

HLA的規(guī)則，聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)通信必須通過(guò)運(yùn)行時(shí)間支撐系統(tǒng)（提供了一系列服務(wù)），以處理聯(lián)邦運(yùn)行時(shí)成員間的互操作和管理聯(lián)邦的運(yùn)行。在這種結(jié)構(gòu)中，運(yùn)行時(shí)間支撐系統(tǒng)從某種程度上來(lái)說(shuō)是一種“軟總線”，聯(lián)邦成員可以在聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)“插入”。302.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

（6）多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模規(guī)范語(yǔ)言及建模技術(shù)簡(jiǎn)介面向復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模與仿真技術(shù)的研究：

歐洲仿真協(xié)會(huì)（EUROSIM）為代表提出的多領(lǐng)域、連續(xù)－離散混合物理建模語(yǔ)言Modelica，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行模型描述，實(shí)現(xiàn)模型可重用及系統(tǒng)可重構(gòu)、可擴(kuò)展的先進(jìn)構(gòu)架體系，體現(xiàn)了知識(shí)積累與重用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，適合于不同工程領(lǐng)域的系統(tǒng)建模和多領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真，符合嵌入式時(shí)代IT技術(shù)“資源可重用、系統(tǒng)可重構(gòu)”的面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）技術(shù)理念。2006年9月CATIA宣布以Modelica為核心標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)“知識(shí)嵌入（knowledgeinside）”，歐盟亦推出其建?；A(chǔ)計(jì)劃EUROSYSLIB/ITEA2，以Modelica為模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建涵蓋各工業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)器件的模型庫(kù)。Modelica完全免費(fèi)開(kāi)放，資源共享。

開(kāi)展基于Modelica語(yǔ)言的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模理論與仿真技術(shù)研究，有利于我國(guó)更快加入到國(guó)際合作研究隊(duì)伍之列，更有效地獲取國(guó)際資源。322.3功能建模與分析技術(shù)正向設(shè)計(jì)的一般流程與建模分析技術(shù)

（6）多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模規(guī)范語(yǔ)言及建模技術(shù)簡(jiǎn)介2001年，華中科技大學(xué)CAD中心率先在亞太地區(qū)開(kāi)展了基于Modelica的相關(guān)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，基于Modelica進(jìn)行了多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模實(shí)驗(yàn)性平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

科技部將多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模技術(shù)列入“863計(jì)劃”，并于2008年設(shè)立了相關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目“機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)CAE平臺(tái)”，項(xiàng)目總體目標(biāo)是：研究、掌握、推廣Modelica建模技術(shù)，參與Modelica相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定；形成基于Modelica的機(jī)電液控櫚合系統(tǒng)模型、機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化模型的統(tǒng)一表達(dá)規(guī)范；突破機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)CAE平臺(tái)核心關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)CAE平臺(tái)，內(nèi)嵌機(jī)電液控捐合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化模塊；重點(diǎn)針對(duì)工程機(jī)械行業(yè)形成示范