數(shù)字樣機解決方案
一、背景
長久以來，“以紙質(zhì)為核心的協(xié)同設(shè)計”是復(fù)雜裝備研發(fā)、設(shè)計、制造、試驗的主要手段。隨著新技術(shù)的發(fā)展，大型客機、重型運載火箭、高端郵輪、新能源汽車等裝備的設(shè)計面臨研制周期縮短，系統(tǒng)復(fù)雜度增加的挑戰(zhàn)，以紙質(zhì)管理為中心，通過紙質(zhì)傳遞開展協(xié)作的產(chǎn)品研制方式逐漸變得落后。
圖 1 復(fù)雜裝備研制過程中面臨的難題
美國國防部2018年正式對外發(fā)布《數(shù)字工程（Digital Engineering）戰(zhàn)略》，旨在推進裝備研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)。面對新一輪的戰(zhàn)略競爭，以數(shù)字樣機技術(shù)為支撐的裝備數(shù)字化研發(fā)與交付在裝備研發(fā)中變得勢在必行，并為未來裝備基于數(shù)字孿生的運維奠定基礎(chǔ)。
二、 數(shù)字樣機構(gòu)建與交付
按照國標(biāo)GB/T26100-2010的定義：數(shù)字樣機是對產(chǎn)品整機或具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述。
面向裝備研發(fā)制造的不同階段，以CAD、CAE、CAM技術(shù)支撐的數(shù)字化技術(shù)把數(shù)字樣機大致可以分為幾何樣機、功能樣機、性能樣機、制造樣機等。
圖 2 數(shù)字樣機的分類
隨著復(fù)雜裝備對多學(xué)科協(xié)同設(shè)計、多物理場耦合分析、多專業(yè)工具一體化需求提高，以CAE技術(shù)為支撐，高保真度建模、高性能仿真為核心的裝備性能數(shù)字樣機創(chuàng)建與交付需求迫切。
面向飛行器、航空發(fā)動機等特定裝備與物理過程，采用現(xiàn)代軟件工程設(shè)計理念，構(gòu)建性能數(shù)字樣機協(xié)同設(shè)計仿真平臺框架，將模型和不同學(xué)科的程序統(tǒng)一封裝為具有輸入、輸出和學(xué)科仿真能力的功能組件，融合行業(yè)知識和經(jīng)驗形成數(shù)據(jù)庫，并集成到框架中，構(gòu)建不同類型裝備性能數(shù)字樣機。
圖 3 性能數(shù)字樣機構(gòu)建
基于上述理念國外研究機構(gòu)研發(fā)了航空發(fā)動機性能數(shù)字樣機平臺NPSS、旋翼飛行器性能數(shù)字樣機平臺Helios等，提升了裝備研發(fā)能力，縮短了研發(fā)周期。
圖 4 航空發(fā)動機性能數(shù)字樣機
然而高保真性能數(shù)字樣機的交付存在困難，主要體現(xiàn)在兩方面：一方面系統(tǒng)復(fù)雜，無法實時響應(yīng)；另一方面涉及工具大多，維護增加成本；因此基于驗證和確認的高置信度代理和降階模型的封裝是性能數(shù)字樣機交付的最佳方案。
圖 5 性能數(shù)字樣機的交付
三、數(shù)字樣機關(guān)鍵技術(shù)
性能數(shù)字樣機的創(chuàng)建涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：
1）高保真仿真建模技術(shù)與工具
飛機、艦船、高鐵、新能源汽車等復(fù)雜裝備往往在復(fù)雜多物理場環(huán)境中服役，包括高溫、高壓、沖擊、噪聲、強過載和復(fù)雜電磁耦合等惡劣綜合環(huán)境。其力學(xué)性能的準確預(yù)測離不開以偏微分方程（PDE）數(shù)值模擬為核心的CAE建模技術(shù)與工具。前沿動力研發(fā)的工程力學(xué)綜合仿真設(shè)計平臺ADI.SimWork V6.0具備流體、結(jié)構(gòu)、噪聲等學(xué)科仿真功能，并在工程實踐中得到應(yīng)用。
圖 6 高性能仿真工具
2）高效、高可信度的降階模型構(gòu)建
基于降階模型ROM實現(xiàn)對高保真度靜態(tài)或動態(tài)模型的簡化，可以在保留高保真模型的基本特征與主導(dǎo)效應(yīng)同時，減少復(fù)雜模型的CPU計算時間和存儲空間，實現(xiàn)高效實時仿真。常用的降解建模方法有靜態(tài)的響應(yīng)面分析法RSM、本征正交分解POD和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN。
(1) 響應(yīng)面分析法RSM
響應(yīng)面分析法是結(jié)合數(shù)學(xué)與統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析方法，建立自變量與因變量之間的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的靜態(tài)擬合，其創(chuàng)建流程如下：
圖 7 響應(yīng)面分析法RSM流程和應(yīng)用
(2) 本征正交分解POD
本征正交分解是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)降階建模方法，其原理是將原始數(shù)據(jù)（空間-時間）分解為空間上的多階模態(tài)及各階模態(tài)對應(yīng)的時間演化序列，各階模態(tài)相互正交，通過模態(tài)截斷進行模型重構(gòu)。其原理和應(yīng)用如下：
圖 8 POD原理與應(yīng)用
(3) 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN
循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN是一種處理序列數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)信息可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳播從而捕捉到序列中的時間依賴關(guān)系，屬于動態(tài)建模。其原理和應(yīng)用如下：
圖 9 RNN原理與應(yīng)用
3）統(tǒng)一的數(shù)字化封裝集成平臺和web端部署
性能數(shù)字樣機涉及到工具、知識、流程、業(yè)務(wù)的異構(gòu)封裝和3D動態(tài)可視化。
集成平臺基于CS/BS架構(gòu)模式，開發(fā)形成數(shù)據(jù)中臺、業(yè)務(wù)中臺，利用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫對接。其中前端代碼選擇Vue；后端的代碼采用合.NetCore和Python代碼形式，其中Python部分負責(zé)復(fù)雜工程計算，通過Redis實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)緩存功能，利用RabbitMQ實現(xiàn)消息通訊和作業(yè)隊列，最后基于Web3D實現(xiàn)動態(tài)可視化。
圖 10 集成平臺架構(gòu)
圖 11 Web端網(wǎng)絡(luò)部署
四、行業(yè)案例實踐
針對某單位客戶，開發(fā)了光源性能數(shù)字樣機，實現(xiàn)了光源系統(tǒng)與物理過程的“光、機、電、控、力、熱”一體化協(xié)同設(shè)計仿真。
圖 12 光源性能數(shù)字樣機
