基于传统装备制造业的分布式数字化设计平台研究与实现

毕启亮，王绍兴

（1.天津机电职业技术学院，天津 300350；2.中海油田服务股份有限公司，天津 300450）

“加快数字化发展，建设数字中国”已成为“十四五”规划和2035 年远景目标纲要重要的内容。很多发达城市先后出台了数字化转型实施方案及政策措施。尤其是疫情让人们意识到数字化的价值，包括提升业务韧性、促进效率提升和可持续发展等[1]，双碳目标则进一步加速了数字化转型的步伐。可以预见的是，“十四五”将成为数字经济发展的爆发期，数字产业化、产业数字化正成为大势所趋。

与传统的串行设计模式不同，数字化技术环境中，设计人员以数字化模型为载体，多人协作，能够同步、交叉进行设计[2]，实现产品快速设计，降低企业开发成本。对用户需求能否给予即时响应，决定了企业是否能够在市场中占得先机。然而，由用户需求所衍生出的一系列业务活动并非能由任何一家企业独立完成。现代商业环境是实体之间相互依赖形成的网络，他们相互连接以创建和获取价值[3]。

经验与技术赋能的传统装备制造业，正在以前所未有的开放心态迎接数字经济时代。但是由于缺乏数字化设计手段，在产品设计开发中，大量依靠经验和人力，以致无法有效、及时地响应快速发展的市场的需求[4]。要顺利进行数字化转型，必须先练好内功，强化产品创新设计、成本控制及质量管控能力。

文章面向传统装备制造业，基于模块化系列化创新理论，以提升产品开发效率为目标，开展了面向产品的设计、计算、仿真分析等关键技术研究，以减速器产品设计为应用实施对象，形成产品的模块化资源库和数字化设计分析集成平台。

1 数字化集成平台总体设计

采用自顶向下的模块化设计方法[5]，基于企业已有的基型产品，研究产品的设计、计算、仿真分析的数字化集成平台技术。

平台开发建设有5 个功能模块：基础支撑子系统、平台管理子系统、设计计算子系统、仿真分析子系统、图纸优化子系统。

基础支撑子系统负责与商业设计软件、分析软件、工程制图软件进行数据交换与系统操作控制，是平台与商业软件交互的接口；平台管理子系统作为交互窗口，负责监控、协调平台各模块的工作状态；设计计算子系统与仿真分析子系统作为核心子系统，执行产品优化设计与仿真分析全过程；图纸优化子系统执行图纸优化配置计算并返回图纸优化计算数据。

平台管理子系统获取各返回数据，将其传递给基础支撑子系统，由分布集成软件执行模型优化设计、仿真分析、图纸优化配置等功能，并向用户反馈优化结果[6]。数字化设计平台功能主题域划分如图1 所示。

图1 数字化设计平台功能主题域划分

2 平台关键业务功能模型分析

2.1 平台管理功能

平台管理子系统负责向各子系统提供各类数据以及发布操作命令，是数字化设计分析集成平台总体业务功能的基础平台支撑[7]。除了提供交互窗口界面，还对数据管理、设计计算、仿真分析、权限管理等各子系统之间的交互给予支撑。

平台数据管理有产品结构管理、设计规则管理、参数数据管理等。产品结构是设计平台的核心[8]，是产品设计流程展开的基础。

文档管理功能是平台管理的关键功能，主要有文档模板管理、文档版本管理和文档目录管理。负责对产品设计过程中的模型文档、数据文档、报表文档等实施模板化管理、版本的管理及分类检索管理。

2.2 设计计算功能

设计计算子系统是数字化设计平台的关键核心子系统之一，负责对产品结构的参数化设计[9-10]提供支撑，实现产品的快速优化设计计算功能。

产品设计过程主要分为3 类：整机优化设计、结构件优化设计、打开已有产品整机设计。

整机优化设计功能是对产品整机的外形、结构进行初设计及优化设计分析的过程。设计师选定好基型模板后，进入相关的设计流程，平台会根据基型模板自动调用相对应的产品模型和数据。整机优化设计的总体业务流程如图2 所示。

图2 整机优化设计总体业务流程

结构件优化设计是针对产品的组成关键结构件进行参数设计计算，设计人员基于产品整机模板选择基型零件，进入相应的结构件设计流程，平台根据设计流程查询零件的初始数据和对应的零件文档，设计人员对该零件进行参数设计、校核计算、有限元分析及图纸优化配置等功能。

在设计计算子系统各业务流程中，设计用户通过平台管理子系统选择设计模式类型，进入不同的设计流程，平台管理子系统负责与用户交互，同时与设计计算子系统进行数据交换，设计计算子系统承载设计过程的实际应用。基础平台模块维护了设计类型和设计模板的选择，知识库管理模块负责整个设计过程的数据维护和存储，文档管理模块负责设计过程的模型维护与存储。设计计算子系统基础模块负责维护与调用具体设计流程，参数化设计模块负责细节设计过程，校核计算模块负责整机与零件的设计计算与校核，基础支撑子系统该负责模型与参数的应用。

2.3 仿真分析功能

仿真分析子系统负责对产品的有限元分析[11]、装配仿真、运动仿真等过程给予支撑。用户通过平台管理子系统与该子系统进行交互，提取仿真流程、仿真模板、分析算法，执行产品的仿真分析。仿真分析过程分为3 类：关键结构件有限元分析、整机装配仿真、整机运动仿真。

在仿真分析子系统各业务流程中，设计用户可以通过平台管理子系统选择仿真模式类型，进入不同的仿真流程。仿真分析子系统承载仿真过程的实际应用。其中仿真分析基础模块负责维护与调用具体仿真分析流程，有限元分析模块负责结构件的有限元分析计算，装配仿真模块负责整机的装配仿真计算，运动仿真模块负责整机的运动仿真计算。整机运动仿真分析业务流程如图3 所示。

图3 整机运动仿真分析业务流程

2.4 图纸配置功能

图纸优化子系统负责优化配置输出产品工程图纸，包括图纸参数变更配置、模板变更、版本切换、图纸批量打印与输出功能等。设计人员可通过选择图纸优化模式类型，进入不同的优化流程。

3 系统实现与实例应用

平台建设从逻辑上分为6 个主要层次：用户交互层、核心业务逻辑层、基础业务逻辑层、数据访问层、文档访问层、系统集成层。用户交互层提供用户交互页面，核心业务逻辑层提供产品设计、仿真、图纸优化的业务逻辑计算流程功能调用，基础业务逻辑层提供平台基础管理功能调用，数据访问层提供数据的封装与接口调用[12]，文档访问层提供平台相关文档的封装存储接口调用，系统集成层负责封装与外部系统交互接口。系统逻辑架构如图4 所示。

图4 数字化设计平台系统逻辑架构示意图

为保证平台的稳定性、复用性、扩展性和独立性，平台有区别地对各个层暴露不同程度的扩展接口。

以减速器设计为对象，基于Windows 操作系统，采用Visual Studio 程序平台，集成SolidWorks、eDrawings、ANSYS、AutoCAD、Office、Matlab 等软件，应用SQLite 数据库及C++语言开发完成分布式数字化设计平台，实现减速器快速设计、仿真集成、图纸优化输出以及产品数据管理等功能。

设计计算子系统集成开发：减速器整机参数设计如图5 所示，减速器输出盘参数设计如图6 所示。

图5 减速器整机参数设计

图6 减速器输出盘参数设计

仿真分析子系统集成开发：减速器齿轮啮合等效应力分布云图如图7 所示，减速器曲柄轴位移矢量图如图8 所示。

图7 减速器齿轮啮合等效应力分布云图

图8 减速器曲柄轴位移矢量图

图纸优化子系统开发：减速器输出轴图纸配置输出如图9 所示。

图9 减速器输出轴图纸配置输出

平台管理子系统开发：减速器针齿壳产品结构设计规则管理如图10 所示。

图10 减速器针齿壳产品结构设计规则管理

样机3D 打印：经过文中数字化设计平台输出的模型，通过3D 打印技术进行尺寸验证，减速器整机3D打印样机总装配如图11 所示。

图11 减速器整机3D 打印样机总装配

4 结束语

文章从传统装备制造业在数字化转型过程中的需求出发，构建了分布式数字化设计分析集成平台，并以减速器为实施对象进行了应用，有效促进了企业信息化进程。

通过分布式集成平台建设，为行业内企业进行协同设计、仿真集成和信息化提供参考路径。文中所构建的快速设计环境，实现了快速产品设计，结合3D 打印技术，缩短了产品设计制造周期，提高了企业的市场反应能力，降低了企业设计成本。

文章研究成果将支持传统装备制造业加快步入新型的数字化工作模式，支持企业的网络化、分布式、数字式的组织模式。平台中关键技术的成功应用可在其他相关行业中进行推广应用。