CN114861340B - 一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法。包括步骤S1：设计过程标准化；步骤S2：基于元模型的CAD数字样机生成；步骤S3：基于属性提取的CAE数字样机生成；步骤S4：基于MBD的CAM数字样机生成；本发明提供的复杂产品数字样机生成式设计方法保证了复杂产品客户需求在产品全生命周期阶段唯一性、一致性、重用性和集成性，有助于复杂装备需求信息的共享、集成和应用，实现了需求驱动的复杂产品快速设计。

Description

一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计领域，具体涉及一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法。

背景技术

随着复杂产品需求越来越多变、产品运行环境越来越复杂，复杂产品市场从传统的相对稳定型向动态多变型演变，复杂产品(如轨道交通车辆)制造业已经从大批量生产方式向大规模定制方式进行转变。在面向订单需求进行新产品设计时，目前大部分制造企业均是根据设计师经验组织设计过程并进行产品设计，在设计知识重用、设计过程组织的合理性等方面都存在不足，导致设计修改反复多、效率低下，难以控制产品设计的质量和成本。如何快速响应多样化的客户需求，以较低的成本、较短的设计周期研发出较高质量的产品，已经成为众多制造企业竞争发展的重大战略课题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，该方法以过程元模型为研发流程基础，以需求、产品元模型为数据基础，保证了复杂产品客户需求在产品全生命周期阶段唯一性、一致性、重用性和集成性，有助于复杂装备需求信息的共享、集成和应用，实现了需求驱动的复杂产品快速设计。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：设计过程标准化；首先构建过程元模型，通过对过程元模型赋值得到过程实例，用于指导复杂产品的后续设计过程；具体包括如下步骤：

步骤S11：获取复杂产品过程元信息，过程元信息包括项目集合、任务集合和活动集合，每个过程元信息中项目集合至少包含一个项目，任务集合至少包含一个任务，活动集合至少包含一个活动；

步骤S12：构建复杂产品过程元模型，根据订单研发需求在过程元信息的项目集合中选取恰当的项目，根据订单研发任务工作流，在构建的所述过程元信息的任务集合和活动集合中抽取符合研发任务工作流的任务与活动，从而构成带有描述研发过程内容、研发中各过程关系的过程元模型；

步骤S13：对过程元模型赋值得到过程实例，基于订单研发任务选择过程元，并组建定制的复杂产品研发的过程元模型，根据实际订单进行具体赋值，得到具体研发过程，包括研发过程项目、任务以及具体研发活动，通过上述过程，实现对产品各系统、子系统、模块及零部件后期研发过程流的初定义；

步骤S2：基于元模型的CAD数字样机生成；构建需求元模型并结合实际订单需求形成需求实例，通过需求-模块映射将需求参数转换成模块参数，通过产品模块实例匹配，在所定位的产品平台实例库范围内进行产品模块实例匹配，得到可以重用的产品模块实例，即CAD数字样机；

步骤S3：基于属性提取的CAE数字样机生成；以步骤S2生成的CAD数字样机为基础，进行动力学仿真分析和空气动力学仿真分析，优化CAD数字样机的结构和性能参数，从而获得复杂产品的CAE数字样机；

步骤S4：基于MBD的CAM数字样机生成；根据步骤S2生成的CAD数字样机，计算近似实际加工尺寸并替换CAD数字样机中的设计尺寸，获得工艺CAD模型；对产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级、单位制、公差标准、精度、参数完整性、三维标注属性进行定义，完成MBD属性定义；基于MBD模型属性信息对产品进行MBD三维建模；最后对尺寸公差、基准与几何公差、表面粗糙度、焊接符号、技术条件、关键特性尺寸、装配定义信息、文本说明，以及标注信息显示管理进行标注，完成MBD三维标注。

优选地，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：需求采集；通过事先构建对应复杂产品需求元模型，以需求元模型为基础，对某订单的客户需求、历代产品迭代需求进行采集，作为产品设计的输入；

步骤S22：根据需求采集获得的需求参数值，从中提取出用于产品平台定位的细分变量，根据细分变量并结合产品平台定位规则进行平台定位，从而将本次订单研发产品定位到相应的产品平台；

步骤S23：基于企业已有资源构建需求-模块映射规则，并将需求采集的需求参数值映射为相应的产品平台模块属性参数值，作为后续研发流程输入；

步骤S24：根据步骤S23获得的模块属性参数值，在定位出的产品平台的模块实例库中进行产品实例的匹配，得到可以重用的产品模块实例；若不存在可重用的产品模块实例时，则对其进行产品模块化实例定制设计，最终得出可用的模块实例，即CAD数字样机。

优选地，所述步骤S3具体包括：

步骤S31：构建动力学仿真分析模型；通过提取CAD数字样机中的物理属性参数，并构建简化模型，最后提取运动副及力元并进行交互定义来构建动力学仿真分析模型；

步骤S32：构建空气动力学仿真分析模型；首先提取关键外形曲面的几何信息，包括曲面网格信息与曲面NURBS信息，然后在ANSYS软件中提取零部件模态信息，再将关键外形曲面的几何信息输入ANSYS软件，结合零部件模态信息与关键外形曲面的几何信息，最后通过ANSYS软件构建动力学仿真分析模型；

步骤S33：根据构建的动力学仿真分析模型和空气动力学仿真分析模型进行仿真，并与物理试验数据进行对比分析，调整动力学仿真分析模型和空气动力学仿真分析模型的仿真设置参数，使得仿真结果与物理试验结果吻合，获得满足条件的CAE数字样机。

优选地，所述步骤S31具体包括：

步骤S311：物理属性参数提取；通过物理属性提取模块首先提取CAD数字样机零部件的几何特征，随后计算零部件属性及相对位置，最后提取零部件的质心、质量、惯性值；其中，在物理属性参数提取过程中，将复杂产品多体动力学参数分为依附于实体的多体动力学参数与依附于几何特征的多体动力学参数；针对依附于实体的多体动力学参数，通过选择实体的方式计算实体的物理属性信息，利用CAD软件二次开发接口直接获取物理属性参数；针对依附于几何特征的多体动力学参数，通过选择几何实体和几何实体对应的几何特征，并基于CAD软件几何空间关系计算函数获取多体动力学参数；在获取物理属性参数的同时将参数存储到全局变量中，便于输出、查看操作；

步骤S312：构建简化模型；利用简化模型构建模块对CAD数字样机的主要结构几何尺寸进行提取，并获取关键零部件位姿，随后将获得的主要结构几何尺寸、关键零部件位姿汇总形成简化模型数据信息，基于简化模型数据信息在CAD软件中构建相对应的简化模型并储存到简化模型数据库中，通过调用简化模型数据库中的简化模型进行模型装配，获得简化模型装配体，并通过获取简化模型数据库中主要结构几何尺寸、关键零部件位姿信息进行尺寸映射与位姿映射；最后基于尺寸映射和位姿映射结果驱动简化模型装配体生成简化模型；

步骤S313：运动副及力元的提取及交互定义；利用运动副及力元提取及交互定义模块提取装配约束信息，然后将约束转换至运动副，最后提取力元作用点位置并定义交互力元信息，以便在动力学仿真分析模型中使用；

步骤S314：构建动力学仿真分析模型；通过ANSYS软件的零部件的模态信息提取模块提取CAD数字样机的模态信息，基于构建的简化模型与模态信息将物理属性参数信息与运动副及力元信息赋值给简化模型，最后通过ANSYS软件构建动力学仿真分析模型。

优选地，所述步骤S4具体包括：

步骤S41：生成工艺CAD模型；首先求取近似实际加工尺寸，并与步骤S2中的CAD数字样机中的设计尺寸进行对比整理和替换，生成工艺CAD模型；

步骤S42：基于MBD的属性定义；在生成的工艺CAD模型中定制好MBD相关属性信息，包括产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级、单位制、公差标准、精度、参数完整性、三维标注；将上述属性信息按照规范的格式填写在工艺CAD模型中；

步骤S43：MBD三维建模；定义好MBD模型属性信息后，对产品进行MBD三维建模，包括MBD零件建模和MBD装配建模；

步骤S44：MBD三维标注；对步骤S43中获得MBD装配模型进行三维标注，在所述MBD装配模型中分别进行尺寸公差标注、基准与几何公差标注、表面粗糙度标注、焊接符号标注、技术条件标注、关键重要特性标注、装配连接表达信息，由此获得复杂产品的基于MBD的CAM数字样机。

优选地，所述步骤S41具体包括：

步骤S411：计算尺寸公差；根据步骤S2中的CAD数字样机判断出标注公差的设计尺寸和没有标注公差的设计尺寸，其中没有标注公差的设计尺寸按照自由公差计算，根据设计尺寸中标注的公差和自由公差计算所有零件的上偏差和下偏差，获得所有零件的尺寸公差；

步骤S412：求取近似实际加工尺寸；首先将标准件排除，其余需加工的零部件分别从零件级计算近似实际加工尺寸，计算公式如下：

P^·＝P+ΔP

ΔP＝E(x)

E(x)＝Δm+eT/2

T＝Δu-Δl

Δm＝(Δu+Δl)/2

式中，P^·为近似实际加工尺寸；P为零件尺寸；E(x)为统计量数学期望；e为相对不对称系数；T为公差带；ΔP为尺寸偏差；Δu为上偏差；Δl为下偏差；Δm为中间偏差；

步骤S413：将CAD数字样机中的设计尺寸替换为步骤S412中计算的近似实际加工尺寸，生成工艺CAD模型；

所述步骤S43具体包括：

步骤S431：MBD零件建模；在三维建模软件中设置环境参数，引入步骤S413中生成的工艺CAD模型作为骨架，在上述工艺CAD模型中建立基准坐标系、基准点和基准面，并在上述工艺CAD模型中创建基础特征，包含尺寸公差、几何公差、表面粗糙度、焊接符号、技术条件；创建主体特征，包含装配定义信息、文本说明以及标注信息显示管理；创建局部和附属特征，包含面邻接特征；对主体特征、局部和附属特征添加约束信息，约束信息为各个零部件间的拓扑和布局约束；然后添加工程属性，包含产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级；最后对构建好的模型进行检查，确认无误完成MBD零件建模；

步骤S432：MBD装配建模；在三维建模软件中设置环境参数并创建顶层装配模型和顶层布局模型，顶层装配模型指具有多级抽象层次的装配级设计模型，其中含有构成装配体的各个子装配体间的拓扑关系；顶层布局模型指具有多级抽象层次的装配级设计模型，其中含有构成装配体的各个子装配体间的位置布局关系；之后确定装配基准，包括基准坐标系、基准面、基准线、基准点；将步骤S431中生成的MBD零件模型导入顶层装配模型和顶层布局模型中，随后开始逐级向下创建子装配，从而形成完整的装配结构；最后判断是否完成装配建模并进行模型检查确认，检查确认无误完成MBD装配建模。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法相对于现有技术具有一下有益的技术效果：

1、发明人在实践中发现现有复杂产品数字样机生成方法中难以同步涵盖产品物理属性和工艺数据等信息，从而可能陷入设计反复、影响设计效率的这一技术问题，本发明考虑了集成CAD、CAE和CAM的复杂产品数字样机的快速生成，使得产品设计结果更加准确。具体地，本发明通过依次获取复杂产品的CAD数字样机、CAE数字样机和CAM数字样机；借助复杂产品CAD数字样机更真实地表达产品结构组成，更清晰地展示设计，有利于查找设计缺陷，验证设计；借助复杂产品CAE数字样机替代“物理样机试制验证”进行分析计算，确保设计合理性，缩短设计分析循环周期；借助复杂产品CAM数字样机辅助制造零件、部件，解决了转换二维图纸产生重复性劳动、转换精度不高的技术问题，达到了避免图纸转化和尺寸/尺寸链换算并保证数据唯一性的技术效果。改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平。三个数字样机有机结合获得了涵盖几何信息、物理属性和工艺信息的复杂产品数字样机模型。

2、本发明通过构建需求、产品、过程三类元模型用于指导复杂产品数字样机生成过程，通过过程元模型组合连接并赋值得到具体产品设计所需的特定研发过程，驱动需求元模型和产品元模型实例化并生成复杂产品数字样机，解决了复杂产品研发存在部分设计任务重复、开发进程不规范的技术问题，达到了优化产品开发过程、有助于提升产品开发效率、节省人力物力资源的技术效果。

附图说明

图1为本发明的技术路线；

图2为CAE数字样机构建示意图；

图3为MBD零件建模流程示意图；

图4为MBD装配建模示意图；

图5为MBD三维标注示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的目的是提供一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，以指导复杂产品的定制设计。如附图1中所示的，本发明的基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法包括如下步骤：

步骤S1：设计过程标准化；首先构建过程元模型，通过对过程元模型赋值得到过程实例，用于指导复杂产品的后续设计过程。

其中，步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：获取复杂产品过程元信息，过程元信息包括项目集合、任务集合和活动集合，每个过程元信息中项目集合至少包含一个项目，任务集合至少包含一个任务，活动集合至少包含一个活动。

步骤S12：构建复杂产品过程元模型，根据订单研发需求在过程元信息的项目集合中选取恰当的项目，根据订单研发任务工作流，在构建的所述过程元信息的任务集合和活动集合中抽取符合研发任务工作流的任务与活动，从而构成带有描述研发过程内容、研发中各过程关系的过程元模型。

示例性地，以轨道交通行业地铁产品作为对象，过程元模型可以表示为Process＝{<Project><Task><Activity>}。假定当前订单研发需求是对某城市某号线地铁进行总体设计，则其过程元模型表示如下：

Process＝<P1,{T1<A1,…,A4>,…,T9<A1,…,A6>}>

其中，项目P1为总体设计，任务集合包含{T1:设计输入,T2:技术指标,T3:列车编组,T4:牵引制动计算,T5:元模型赋值,T6:配置设计,T7:变型设计,T8:设计任务下发}。

……

任务T3列车编组包含活动{A1:动力配置,A2:车内布局,A3:断面设计,A4:车下布置,…}。

活动A1动力配置：根据列车编组数量确定列车动拖比和车辆编组型式。

……

步骤S13：对过程元模型赋值得到过程实例，基于订单研发任务选择过程元，并组建定制的复杂产品研发的过程元模型，根据实际订单进行具体赋值，得到具体研发过程，包括研发过程项目、任务以及具体研发活动，通过上述过程，实现对产品各系统、子系统、模块及零部件后期研发过程流的初定义。

本发明给出的一个复杂产品的具体赋值示例如下：

Process＝<P1,{T1<A1,A2,A3,A4,A5>,T2<A1,A2,A3,A4,A5>,T3<A1,A2,A3,A4,A5,A6>}>

具体地：项目P1数字样机生成，任务集合包括{T1:产品CAD数字样机生成,T2:产品CAE数字样机生成,T3:产品CAM数字样机生成}；

任务T1包含活动{A1:需求采集,A2:需求映射,A3:模块匹配,A4:需求确认,A5:生成产品CAD数字样机}；

任务T2包含活动{A1:物理属性提取,A2:简化模型构建,A3:力元运动副提取,A4:几何信息提取,A5:生成产品CAE数字样机}；

任务T3包含活动{A1:工艺CAD模型生成,A2:MBD属性定义,A3:MBD零件建模,A4:MBD装配建模,A5:MBD三维标注,A6:生成产品CAM数字样机}。

根据上述步骤，本发明解决了复杂产品研发存在部分设计任务重复、开发进程不规范的技术问题，达到了优化产品开发过程、有助于提升产品开发效率、节省人力物力资源的技术效果。

步骤S2：基于元模型的CAD数字样机生成；构建需求元模型并结合实际订单需求形成需求实例，通过需求-模块映射将需求参数转换成模块参数，通过产品模块实例匹配，在所定位的产品平台实例库范围内进行产品模块实例匹配，得到可以重用的产品模块实例，即CAD数字样机。

其中，步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21：需求采集；通过事先构建对应复杂产品需求元模型，以需求元模型为基础，对某订单的客户需求、历代产品迭代需求进行采集，作为产品设计的输入。

其中，步骤S21具体包括如下步骤：

步骤S211：构建需求元模型；需求元模型通过定义客户需求的语义和语法规范描述特定领域客户需求，包含特定域客户需求的基本对象、客户需求间影响关系、客户需求属性以及相关操作方法。首先通过需求获取和需求处理实现对领域内客户需求分析；然后基于需求元模型建模规则约束提取需求元模型包含的领域、需求对象、属性、关系和操作等元素集合，并基于提取的所述元素，通过五元组的方式对需求元模型进行表达：

Meta-Requirement＝{领域,需求对象,需求属性,关系,操作}

其中领域(Domain)表示需求元模型所处的特定产品领域，限定了客户需求元模型表达和描述的边界；需求对象(R-Object)描述的是客户需求的语义抽象，表示产品设计的客户需求的集合；需求属性(R-Attribute)描述的是需求对象的特征，包含需求参数取值、参数范围、参数单位、参数重要度等；关系(Relation)表示需求元模型间的关系以及需求对象和其他数据的引用关系等；操作(Operation)指的是对需求元模型进行增删改查、引用、抽取以及映射等操作；

步骤S212：根据构建的所述需求元模型构建复杂产品的需求模板；首先确定需求模板对象所在领域，划清领域内需求知识范围和专业术语定义；随后对复杂产品对象领域内积累的产品实例进行分析，并整理出产品全生命周期内相关需求知识数据，对需求进行抽象凝练，明确描述需求的概念和专业术语，即需求对象和需求属性，确定需求模板组成要素；最后基于需求元模型基本格式构建需求模板，形成对复杂产品对象需求描述的需求模板。

示例性地，以轨道交通行业地铁产品作为对象，对产品的招标文件、设计说明书、历史履历文件等进行分析，依据步骤S211中需求元模型构建地铁产品需求模板。根据需求属性不同，将需求分为适应性需求(环境适应性、线路适应性、运营适应性)、安全性需求(主动安全性、被动安全性)、舒适性需求(乘坐环境、乘坐感受)、环保性需求(车外噪声、环境振动、电磁辐射、材料环保、能耗)、RAMS需求(可靠性、可维修性、可用性)、经济性需求(生产经济性、运行经济性、维护经济性)；根据需求参数在既有产品实例中取值的差异，将需求分为基本需求、可变需求、可选需求，其中基本需求具有唯一的取值，可变需求具有一个可调节的范围，可选需求具有多个枚举值。

根据不同层级的需求对象构建相应的需求模板，所述需求对象包括零部件级、系统级、产品级；系统级和零部件级的需求与产品级需求并不相同，系统级与零部件级的需求信息除了订单需求(客户需求)以外，还包括总体或上层系统设计师所确定的技术参数(技术需求)，如尺寸、性能、材料等属性信息。示例性地，本发明构建的需求模板如表1所示。

表1构建的需求模板

步骤S213：当完成所述需求模板构建后，通过参考以往产品实例、基于需求模板进行填写和添加新需求参数的方式进行需求采集，获得需求采集实例。其中：参考以往产品实例是在企业单位需求实例库中存在和此次订单设计需求类似的需求实例，因此在对新设计需求进行需求采集时可以参考既往需求实例进行需求赋值，需要注意的是，参考的需求实例值可以由设计人员根据实际情况进行修改；若无相似的需求实例，可以直接基于需求模板进行需求填写。基于需求模板填写是设计人员、销售人员或客户根据预先制定的需求模板在规定范围内进行填写或选择；添加新需求参数是由于需求模板中项点不满足客户个性化功能需求，可以设计人员或客户自行添加新需求项点并赋值。

示例性地，以地铁需求模板为基础，通过上述3种需求采集的方式进行订单需求的采集，获取本发明的研发任务的需求实例如下表2所示。

表2需求实例

根据上述步骤，本发明解决了传统需求表述不明确、需求管理混乱的技术问题，达到了需求处理规范化、提升需求管理效率的技术效果。

步骤S22：根据需求采集获得的需求参数值，从中提取出用于产品平台定位的细分变量，根据细分变量并结合产品平台定位规则进行平台定位，从而将本次订单研发产品定位到相应的产品平台。

在项目创建时确定项目所针对的产品类别(机车、客车、货车、动车、地铁、单轨车等)，产品平台定位是在确定产品类别的基础上，根据采集得到的需求参数值中平台细分变量的取值进一步确定该项目所设计的产品具体属于某类别产品下的哪一个产品平台，以地铁产品为例，规划了“A型地铁产品平台”、“B型地铁产品平台”、“L型地铁产品平台”、“C型地铁产品平台”。根据每个产品平台的平台范围描述可方便地构建出产品平台的定位规则。示例性地，A型地铁产品平台的平台范围是：车体型式＝A型、速度等级＝{80，100，120，140}、车体材料＝{铝合金，不锈钢}、供电制式＝{DC750，DC1500}，则可构建产品平台定位规则为：If(车体型式＝A型&&速度等级∈{80，100，120，140}&&车体材料∈{铝合金，不锈钢}&&供电制式∈{DC750，DC1500})，then(所属产品平台＝A型地铁产品平台)。下表3示例性地给出了关于地铁产品平台定位规则。

表3产品平台定位规则

从需求实例中提取出用于产品平台定位的细分变量的取值(不同车种的细分变量不同)，根据上述产品平台定位规则，执行规则的条件匹配，即可实现产品平台定位。

示例性地，如前述某地铁订单的产品级需求实例而言，需求模板中的车体型式、速度等级、车体材料、受流方式、供电制式是地铁产品平台的平台细分变量。根据需求采集获得的需求参数值，车体型式为A型、速度等级为80km/h、车体材料为铝合金、受流方式为受电弓受流、供电制式为DC1500 V。根据上述地铁产品平台定位规则，将上述某地铁订单产品定位到“A型地铁产品平台”。

根据上述步骤，解决了对于新订单产品定位不明确、模块实例库混乱的技术问题，达到了提升订单任务产品平台定位准确度、提升后续模块实例匹配效率的技术效果。

步骤S23：基于企业已有资源构建需求-模块映射规则，并将需求采集的需求参数值映射为相应的产品平台模块属性参数值，作为后续研发流程输入。

其中，步骤S23具体包括如下步骤：

步骤S231：构建需求-模块映射规则；将映射规则表达为Rule＝(编码,输入<需求参数>,需求类别,输出<模块参数>,相关联模块,映射类型,映射规则)；将映射规则表达中的“输入<需求参数>”替换为需求模板中需求参数项，将“输出<模块参数>”替换为模块实例具有的模块属性参数。其中，映射规则实现需求向模块参数的快速转化，根据映射方式不同，将映射规则分为直接映射、函数映射、知识映射。直接映射是将需求参数值直接作为模块属性参数值；函数映射是通过函数运算将需求参数值转换成模块属性参数值；知识映射是用产生式规则(if<条件>,then<结论>)将需求参数值转化成模块属性参数值。可以通过对某一车种的需求参数值与模块属性参数值之间关系的分析，确定两者之间的映射关系类型和具体的映射规则。

示例性地，以A型地铁产品平台为例，构建的需求-模块映射规则如下表4所示。

表4需求-模块映射规则

步骤S232：基于步骤S231所构建的需求-模块映射规则，将采集的需求参数值映射到所定位产品平台下各模块的属性参数值，实现需求实例到模块属性参数的映射。

示例性地，某A型地铁产品平台模块属性参数映射如下表5所示。

表5模块属性参数映射实例

根据上述步骤，解决了需求参数向技术指标、模块参数映射难且不准确的技术问题，达到了需求参数向模块实例属性参数的快速映射、提升了研发效率的技术效果。

步骤S24：根据步骤S23获得的模块属性参数值，在定位出的产品平台的模块实例库中进行产品实例的匹配，得到可以重用的产品模块实例；若不存在可重用的产品模块实例时，则对其进行产品模块化实例定制设计，最终得出可用的模块实例，即CAD数字样机。

其中，步骤S24具体包括如下步骤：

步骤S241：产品模块实例匹配；根据步骤S23构建的需求-模块映射规则映射而得的模块属性参数值，在定位的产品平台实例库范围内进行产品模块实例匹配，得到可以重用的产品模块实例。

具体地，经过需求映射获得描述产品的模块属性参数值，以此模块属性参数值为输入，在某产品平台的产品实例范围内，采用基于实例推理(Case Based Reasoning,CBR)的方法进行产品实例的匹配，以获得可以重用的产品实例。

采用CBR进行产品实例配置需要先定义产品的配置参数，配置参数是描述产品的关键性能、结构、接口等参数，具体的参数项可根据实际需要确定。不同车种可定义不同的配置参数表。定义产品配置参数时还需指定某项配置参数的取值规则，即指定某项配置参数的实例取值必须大于或小于或等于目标值。例如，列车实例最高运营速度的实例值必须大于或等于产品的最高运营速度的目标值，以保证所选的产品实例能满足运营要求。

采用基于实例推理(CBR)的方法进行产品实例匹配过程的如下：

步骤S2411：计算属性参数相似度；考虑产品级属性参数中包含数值型数据(精确型、区间型)、字符型数据、集合型数据等，因此分别采用以下算法实现不同类别数据之间相似度的计算。

a)数值型数据的相似度计算

产品实例中，数值型数据主要包括几何尺寸参数、性能参数及重量等，这些参数中包含数据精确值及区间值两种。其中精确值如最高运营速度、轨距等，而范围型的数据如寿命[20，30]年，适应的环境温度为[-20，40]℃等。进行数据相似度计算时需要对这些数据进行区分处理。

若产品实例中某一属性参数的数据类型为数值型数据，其目标值和实例值分别为精确值m和n，则其相似度计算为：

其中α为属性参数的下限值，β为属性参数的上限值，β-α为属性参数的取值范围，即值域。

若不存在或不好判断属性参数的上限和下限值，可采用下式进行精确值m和n的相似度计算：

若产品实例中某一属性参数的数据类型为数值型数据，但其目标值和实际值一个为精确值m，一个为范围型值[n₁,n₂]的时候，其相似度计算为：

若产品实例中某一属性参数的数据类型为数值型数据，但其目标值和实例值为范围型值[m₁,m₂]和[n₁,n₂]的时候，其相似度计算为：

b)字符型数据的相似度计算

产品实例中，字符串型数据有动力型式、注水口型式等。对产品实例的属性参数进行相似度计算时，可直接判断其实际值n与目标值m是否一致，其相似度计算为：

c)集合型数据的相似度计算

产品实例中，集合型数据有动车的坐席设置(一等座、二等座、商务座)等。若目标值为m＝(m₁,m₂,......m_i)，实例值为n＝(n₁,n₂,......n_j)，则相似度为计算为：

其中Card表示集合中所含的元素的数量。

步骤S2412：计算综合相似度；若产品实例属性参数集中具有k个参数，根据上述相应数据类型的相似度计算公式计算对应的属性参数相似度，再计算产品实例的综合相似度Sim(case_id)，即：

其中Sim_i(m,n)是第i个属性参数对应的相似度，ω_i为第i个属性参数的权重。

步骤S2413：判断配置结果；设定综合相似度阈值δ，根据各产品实例与目标订单产品的综合相似度与阈值δ的相对大小，可选出相似度值满足要求的产品实例。根据配置参数的取值规则对筛选出的产品实例进行判断，去掉不满足配置参数取值规则的实例，即得到可行的产品实例。

步骤S242：当所有产品实例与目标订单产品的综合相似度值均小于δ，即不存在足够相似的实例，或相似度值满足要求的产品实例均不满足配置参数的取值规则时，产品实例配置失败，此时则进入产品的模块化定制设计流程。模块化定制设计具体包括：模块实例变型设计和新模块定制设计。

模块实例变型设计包括：以该模块为基础，采用CAD软件对该模块进行结构、尺寸变型，从而产生新的满足需求的模块实例，并将该模块实例补充进所在产品平台下的模块实例库中；

新模块定制设计包括：若产品模块实例未匹配成功，且需进行全新设计，则需将新模块对应的需求参数和该模块的上层级模块参数作为设计输入，采用CAD软件进行新模块的研发设计、三维建模等，在对新模块进行设计完毕后，同时对模块实例库、需求元模型、过程元模型进行更新。

根据上述步骤，解决了企业已有产品实例可重用性差的技术问题，达到了提升设计效率的技术效果。

步骤S3：基于属性提取的CAE数字样机生成。以步骤S2生成的CAD数字样机为基础，进行数字化仿真分析，包括动力学仿真分析和空气动力学仿真分析，优化CAD数字样机的结构和性能参数，从而获得满意、优秀的复杂产品CAE数字样机。如图2所示的，具体包括如下步骤：

步骤S31：构建动力学仿真分析模型。通过提取CAD数字样机中的物理属性参数，并构建简化模型，最后提取运动副及力元并进行交互定义来构建动力学仿真分析模型。具体包括如下步骤：

步骤S311：物理属性参数提取；通过物理属性提取模块首先提取CAD数字样机零部件的几何特征，随后计算零部件属性及相对位置，最后提取零部件的质心、质量、惯性值；其中，在物理属性参数提取过程中，将复杂产品多体动力学参数分为依附于实体的多体动力学参数与依附于几何特征的多体动力学参数；针对依附于实体的多体动力学参数，通过选择实体的方式计算实体的物理属性信息，利用CAD软件二次开发接口直接获取物理属性参数；针对依附于几何特征的多体动力学参数，通过选择几何实体和几何实体对应的几何特征(如点、线、面等)，基于CAD软件几何空间关系计算函数获取多体动力学参数；在获取物理属性参数的同时将物理属性参数存储到全局变量中，便于输出、查看等操作。

步骤S312：构建简化模型；利用简化模型构建模块对CAD数字样机的主要结构几何尺寸进行提取，并获取关键零部件位姿，随后将获得的主要结构几何尺寸、关键零部件位姿汇总形成简化模型数据信息，基于简化模型数据信息在CAD软件中构建相对应的简化模型并储存到简化模型数据库中，通过调用简化模型数据库中的简化模型进行模型装配，获得简化模型装配体，并通过获取简化模型数据库中主要结构几何尺寸、关键零部件位姿信息进行尺寸映射与位姿映射；最后基于尺寸映射和位姿映射结果驱动简化模型装配体生成简化模型。

步骤S313：运动副及力元的提取及交互定义；利用运动副及力元提取及交互定义模块提取装配约束信息，然后将约束转换至运动副，最后提取力元作用点位置并定义交互力元信息，以便在动力学仿真分析模型中使用。

步骤S314：构建动力学仿真分析模型；通过ANSYS软件的零部件的模态信息提取模块提取CAD数字样机的模态信息，基于构建的简化模型与模态信息将物理属性参数信息与运动副及力元信息赋值给简化模型，最后通过ANSYS软件构建动力学仿真分析模型。

步骤S32：构建空气动力学仿真分析模型；首先提取关键外形曲面的几何信息，包括曲面网格信息与曲面NURBS信息，然后在ANSYS软件中提取零部件模态信息，再将关键外形曲面的几何信息输入ANSYS软件，结合零部件模态信息与关键外形曲面的几何信息，最后通过ANSYS软件构建动力学仿真分析模型。

步骤S33：根据构建的动力学仿真分析模型和空气动力学仿真分析模型进行仿真，并与物理试验数据进行对比分析，调整动力学仿真分析模型和空气动力学仿真分析模型的仿真设置参数，使得仿真结果与物理试验结果吻合，获得满足条件的CAE数字样机。根据CAE数字样机的仿真结果对步骤S2中构建的CAD数字样机进行调整，寻找出最合适的CAD数字样机的模型结构，达到优化CAD数字样机的目的，后续CAM数字样机同样基于满足CAE要求的CAD数字样机生成。

步骤S4：基于MBD的CAM数字样机生成。在本发明中，通过在三维实体模型上集成标注信息来全面表达产品定义，由此生成CAM数字样机，具体包括生成工艺CAD模型、MBD属性定义、MBD三维建模和MBD三维标注。其中，根据步骤S2生成的CAD数字样机，计算近似实际加工尺寸并替换CAD数字样机中的设计尺寸，获得工艺CAD模型；对产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级、单位制、公差标准、精度、参数完整性、三维标注属性进行定义，完成MBD属性定义；基于MBD模型属性信息对产品进行MBD三维建模；最后对尺寸公差、基准与几何公差、表面粗糙度、焊接符号、技术条件、关键特性尺寸、装配定义信息、各种文本说明，以及标注信息显示管理进行标注，完成MBD三维标注；具体包括步骤S41-S44：

步骤S41：生成工艺CAD模型。首先求取近似实际加工尺寸，并与步骤S2中的CAD数字样机中的设计尺寸进行对比整理和替换，生成工艺CAD模型，具体包括如下步骤：

步骤S411：计算尺寸公差；零件的尺寸公差是计算近似实际加工尺寸的基础，根据步骤S2中的CAD数字样机判断出标注公差的设计尺寸和没有标注公差的设计尺寸，其中没有标注公差的设计尺寸按照自由公差计算，根据设计尺寸中标注的公差和自由公差计算所有零件的上偏差和下偏差，获得所有零件的尺寸公差。

步骤S412：求取近似实际加工尺寸；首先将标准件排除，其余需加工的零部件分别从零件级计算近似实际加工尺寸，计算公式如下：

P^·＝P+ΔP

ΔP＝E(x)

E(x)＝Δm+eT/2

T＝Δu-Δl

Δm＝(Δu+Δl)/2

式中，P^·为近似实际加工尺寸；P为零件尺寸；E(x)为统计量数学期望；e为相对不对称系数；T为公差带；ΔP为尺寸偏差；Δu为上偏差；Δl为下偏差；Δm为中间偏差。

步骤S413：将CAD数字样机中的设计尺寸替换为步骤S412中计算的近似实际加工尺寸，生成工艺CAD模型。

步骤S42：基于MBD的属性定义。在生成的工艺CAD模型中定制好MBD相关属性信息，包括产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级、单位制、公差标准、精度、参数完整性、三维标注；将上述属性信息按照规范的格式填写在工艺CAD模型中。以抗侧滚扭杆为例，在抗侧滚扭杆的工艺CAD模型中定义相关属性，例如材料信息属性中，其扭杆直径≤40mm，使用材料为51CrV4；扭杆直径>40mm，使用材料为52CrMoV4；其中51CrV4的化学成分采用EN 10089-2002标准，材料52CrMoV4的化学成分采用ISO 683-14-2004国际标准。

步骤S43：MBD三维建模。定义好MBD模型属性信息后，对产品进行MBD三维建模，具体包括如下步骤：

步骤S431：MBD零件建模。如图3中所示的，首先启动三维建模软件，设置环境参数，引入步骤S413中生成的工艺CAD模型作为骨架，在上述工艺CAD模型中建立基准坐标系、基准点和基准面，并在上述工艺CAD模型中创建基础特征，包含尺寸公差、几何公差、表面粗糙度、焊接符号、技术条件；创建主体特征，包含装配定义信息、文本说明以及标注信息显示管理；创建局部和附属特征，包含面邻接特征。对主体特征、局部和附属特征添加约束信息，约束信息为各个零部件间的拓扑和布局约束；然后添加工程属性，包含产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级；最后对构建好的模型进行检查，确认无误完成MBD零件建模。

步骤S432：MBD装配建模。如图4中所示的，首先启动三维建模软件，设置环境参数并创建顶层装配模型和顶层布局模型，顶层装配模型指具有多级抽象层次的装配级设计模型，其中含有构成装配体的各个子装配体间的拓扑关系；顶层布局模型指具有多级抽象层次的装配级设计模型，其中含有构成装配体的各个子装配体间的位置布局关系；之后确定装配基准，包括基准坐标系、基准面、基准线、基准点；将步骤S431中生成的MBD零件模型导入顶层装配模型和顶层布局模型中，随后开始逐级向下创建子装配，从而形成完整的装配结构；最后判断是否完成装配建模并进行模型检查确认，检查确认无误完成MBD装配建模。

步骤S44：MBD三维标注。对步骤S432中获得MBD装配模型进行三维标注，在所述MBD装配模型中分别进行尺寸公差标注、基准与几何公差标注、表面粗糙度标注、焊接符号标注、技术条件标注、关键重要特性标注、装配连接表达信息，具体流程如图5中所示。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：设计过程标准化；首先构建过程元模型，通过对过程元模型赋值得到过程实例，用于指导复杂产品的后续设计过程；具体包括如下步骤：

步骤S11：获取复杂产品过程元信息，过程元信息包括项目集合、任务集合和活动集合，每个过程元信息中项目集合至少包含一个项目，任务集合至少包含一个任务，活动集合至少包含一个活动；

步骤S12：构建复杂产品过程元模型，根据订单研发需求在过程元信息的项目集合中选取恰当的项目，根据订单研发任务工作流，在构建的所述过程元信息的任务集合和活动集合中抽取符合研发任务工作流的任务与活动，从而构成带有描述研发过程内容、研发中各过程关系的过程元模型；

步骤S13：对过程元模型赋值得到过程实例，基于订单研发任务选择过程元，并组建定制的复杂产品研发的过程元模型，根据实际订单进行具体赋值，得到具体研发过程，包括研发过程项目、任务以及具体研发活动，通过上述过程，实现对产品各系统、子系统、模块及零部件后期研发过程流的初定义；

步骤S2：基于元模型的CAD数字样机生成；构建需求元模型并结合实际订单需求形成需求实例，通过需求-模块映射将需求参数转换成模块参数，通过产品模块实例匹配，在所定位的产品平台实例库范围内进行产品模块实例匹配，得到可以重用的产品模块实例，即CAD数字样机；

步骤S3：基于属性提取的CAE数字样机生成；以步骤S2生成的CAD数字样机为基础，进行动力学仿真分析和空气动力学仿真分析，优化CAD数字样机的结构和性能参数，从而获得复杂产品的CAE数字样机；

步骤S4：基于MBD的CAM数字样机生成；根据步骤S2生成的CAD数字样机，计算近似实际加工尺寸并替换CAD数字样机中的设计尺寸，获得工艺CAD模型；对产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级、单位制、公差标准、精度、参数完整性、三维标注属性进行定义，完成MBD属性定义；基于MBD模型属性信息对产品进行MBD三维建模；最后对尺寸公差、基准与几何公差、表面粗糙度、焊接符号、技术条件、关键特性尺寸、装配定义信息、文本说明，以及标注信息显示管理进行标注，完成MBD三维标注。

2.如权利要求1所述的一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：需求采集；通过事先构建对应复杂产品需求元模型，以需求元模型为基础，对某订单的客户需求、历代产品迭代需求进行采集，作为产品设计的输入；

步骤S22：根据需求采集获得的需求参数值，从中提取出用于产品平台定位的细分变量，根据细分变量并结合产品平台定位规则进行平台定位，从而将本次订单研发产品定位到相应的产品平台；

步骤S23：基于企业已有资源构建需求-模块映射规则，并将需求采集的需求参数值映射为相应的产品平台模块属性参数值，作为后续研发流程输入；

步骤S24：根据步骤S23获得的模块属性参数值，在定位出的产品平台的模块实例库中进行产品实例的匹配，得到可以重用的产品模块实例；若不存在可重用的产品模块实例时，则对其进行产品模块化实例定制设计，最终得出可用的模块实例，即CAD数字样机。

3.如权利要求2所述的一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

步骤S31：构建动力学仿真分析模型；通过提取CAD数字样机中的物理属性参数，并构建简化模型，最后提取运动副及力元并进行交互定义来构建动力学仿真分析模型；

步骤S32：构建空气动力学仿真分析模型；首先提取关键外形曲面的几何信息，包括曲面网格信息与曲面NURBS信息，然后在ANSYS软件中提取零部件模态信息，再将关键外形曲面的几何信息输入ANSYS软件，结合零部件模态信息与关键外形曲面的几何信息，最后通过ANSYS软件构建动力学仿真分析模型；

步骤S33：根据构建的动力学仿真分析模型和空气动力学仿真分析模型进行仿真，并与物理试验数据进行对比分析，调整动力学仿真分析模型和空气动力学仿真分析模型的仿真设置参数，使得仿真结果与物理试验结果吻合，获得满足条件的CAE数字样机。

4.如权利要求3所述的一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，其特征在于，所述步骤S31具体包括：

步骤S311：物理属性参数提取；通过物理属性提取模块首先提取CAD数字样机零部件的几何特征，随后计算零部件属性及相对位置，最后提取零部件的质心、质量、惯性值；其中，在物理属性参数提取过程中，将复杂产品多体动力学参数分为依附于实体的多体动力学参数与依附于几何特征的多体动力学参数；针对依附于实体的多体动力学参数，通过选择实体的方式计算实体的物理属性信息，利用CAD软件二次开发接口直接获取物理属性参数；针对依附于几何特征的多体动力学参数，通过选择几何实体和几何实体对应的几何特征，并基于CAD软件几何空间关系计算函数获取多体动力学参数；在获取物理属性参数的同时将参数存储到全局变量中，便于输出、查看操作；

步骤S312：构建简化模型；利用简化模型构建模块对CAD数字样机的主要结构几何尺寸进行提取，并获取关键零部件位姿，随后将获得的主要结构几何尺寸、关键零部件位姿汇总形成简化模型数据信息，基于简化模型数据信息在CAD软件中构建相对应的简化模型并储存到简化模型数据库中，通过调用简化模型数据库中的简化模型进行模型装配，获得简化模型装配体，并通过获取简化模型数据库中主要结构几何尺寸、关键零部件位姿信息进行尺寸映射与位姿映射；最后基于尺寸映射和位姿映射结果驱动简化模型装配体生成简化模型；

步骤S313：运动副及力元的提取及交互定义；利用运动副及力元提取及交互定义模块提取装配约束信息，然后将约束转换至运动副，最后提取力元作用点位置并定义交互力元信息，以便在动力学仿真分析模型中使用；

步骤S314：构建动力学仿真分析模型；通过ANSYS软件的零部件的模态信息提取模块提取CAD数字样机的模态信息，基于构建的简化模型与模态信息将物理属性参数信息与运动副及力元信息赋值给简化模型，最后通过ANSYS软件构建动力学仿真分析模型。

5.如权利要求4所述的一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

步骤S41：生成工艺CAD模型；首先求取近似实际加工尺寸，并与步骤S2中的CAD数字样机中的设计尺寸进行对比整理和替换，生成工艺CAD模型；

步骤S42：基于MBD的属性定义；在生成的工艺CAD模型中定制好MBD相关属性信息，包括产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级、单位制、公差标准、精度、参数完整性、三维标注；将上述属性信息按照规范的格式填写在工艺CAD模型中；

步骤S43：MBD三维建模；定义好MBD模型属性信息后，对产品进行MBD三维建模，包括MBD零件建模和MBD装配建模；

步骤S44：MBD三维标注；对步骤S43中获得MBD装配模型进行三维标注，在所述MBD装配模型中分别进行尺寸公差标注、基准与几何公差标注、表面粗糙度标注、焊接符号标注、技术条件标注、关键重要特性标注、装配连接表达信息，由此获得复杂产品的基于MBD的CAM数字样机。

6.如权利要求5所述的一种基于元模型的复杂产品数字样机生成式设计方法，其特征在于：

所述步骤S41具体包括：

步骤S411：计算尺寸公差；根据步骤S2中的CAD数字样机判断出标注公差的设计尺寸和没有标注公差的设计尺寸，其中没有标注公差的设计尺寸按照自由公差计算，根据设计尺寸中标注的公差和自由公差计算所有零件的上偏差和下偏差，获得所有零件的尺寸公差；

步骤S412：求取近似实际加工尺寸；首先将标准件排除，其余需加工的零部件分别从零件级计算近似实际加工尺寸，计算公式如下：

P^.＝P+ΔP

ΔP＝E(x)

E(x)＝Δm+eT/2

T＝Δu-Δl

Δm＝(Δu+Δl)/2

式中，P^.为近似实际加工尺寸；P为零件尺寸；E(x)为统计量数学期望；e为相对不对称系数；T为公差带；ΔP为尺寸偏差；Δu为上偏差；Δl为下偏差；Δm为中间偏差；

步骤S413：将CAD数字样机中的设计尺寸替换为步骤S412中计算的近似实际加工尺寸，生成工艺CAD模型；

所述步骤S43具体包括：

步骤S431：MBD零件建模；在三维建模软件中设置环境参数，引入步骤S413中生成的工艺CAD模型作为骨架，在上述工艺CAD模型中建立基准坐标系、基准点和基准面，并在上述工艺CAD模型中创建基础特征，包含尺寸公差、几何公差、表面粗糙度、焊接符号、技术条件；创建主体特征，包含装配定义信息、文本说明以及标注信息显示管理；创建局部和附属特征，包含面邻接特征；对主体特征、局部和附属特征添加约束信息，约束信息为各个零部件间的拓扑和布局约束；然后添加工程属性，包含产品代号、名称、类型、材料信息、借用关系、关键特性、工艺路线、成熟度、密级；最后对构建好的模型进行检查，确认无误完成MBD零件建模；

步骤S432：MBD装配建模；在三维建模软件中设置环境参数并创建顶层装配模型和顶层布局模型，顶层装配模型指具有多级抽象层次的装配级设计模型，其中含有构成装配体的各个子装配体间的拓扑关系；顶层布局模型指具有多级抽象层次的装配级设计模型，其中含有构成装配体的各个子装配体间的位置布局关系；之后确定装配基准，包括基准坐标系、基准面、基准线、基准点；将步骤S431中生成的MBD零件模型导入顶层装配模型和顶层布局模型中，随后开始逐级向下创建子装配，从而形成完整的装配结构；最后判断是否完成装配建模并进行模型检查确认，检查确认无误完成MBD装配建模。

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