CN1758256A - 基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法 - Google Patents
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Abstract
基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法，建立进行商业工程软件和自编软件的模型，在该模型中确定输入变量，生成用于驱动的输入文件和模板文件；生成分析计算结果数据和文件；确定输出变量和输出结果文件的数据格式；通过文件包装器的检索工具对模板文件中的输入变量进行格式、位置及数据类型的记录，对输出文件完成输出变量位置、格式及数据类型的记录；根据输入变量数值，通过文件包装器的检索工具和输入文件记录对模板文件中输入变量替换以生成新的输入文件；进行输入文件重新建模计算生成新的输出文件；对输出文件中的输出变量进行检索、读取，最终完成自动化集成。本发明减少设计和分析模型的重构周期，缩短了设计周期，降低了研制成本。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种适合于复杂产品设计过程中的集成方法，特别是基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法。
背景技术
在复杂航天产品研制过程中，各个专业包括总体、气动、飞行力学、推进、控制以及结构等存在着大量的设计和分析模型，如：结构三维模型、全系统或特殊部段的结构有限元模型、气动计算模型、动强度分析模型等；此外还有许许多自研软件计算模型。这些模型可以满足各个专业独立设计分析的需要，但难以解决各个专业之间相互耦合相互制约的综合设计问题。随着科学技术的进步，采用传统的复杂产品研制方法难以适应日益提高的航天产品总体性能需求，特别是系统集成和MDO技术的出现，使多个数学模型共同影响耦合作用的复杂问题得以解决。要进行综合优化设计，必须要进行设计和分析模型封装集成，转化成可以在集成优化平台下进行数据传递和联合调试的专业模型组件。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法，该方法减少设计和分析模型的重构周期，避免了不必要的方案性调整，缩短了设计周期，降低了研制成本。
本发明的技术解决方案：基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法，其特点在于包括下列步骤：
(1)建立进行商业工程软件设计分析模型和使用Fortran、C语言等自行编制软件的设计分析模型，在该模型中确定输入变量，生成用于驱动的输入文件、模板文件；
(2)通过商业工程软件和自编软件分析计算，生成分析计算结果数据和文件；
(3)确定输出变量和输出结果文件的数据格式；
(4)根据上述输出结果文件的数据格式，通过文件包装器的检索工具对模板文件中的输入变量进行格式、位置及数据类型的记录，对输出文件完成输出变量位置、格式及数据类型的记录；
(5)根据输入变量数值，通过文件包装器的检索工具提供的输入文件记录，对模板文件中输入变量替换以生成新的输入文件；
(6)通过商业工程软件和自编软件的驱动引擎运行输入文件，重新建模计算生成新的输出文件；
(7)通过文件包装器的检索工具提供的输出文件记录对输出文件中的输出变量进行检索、读取，迭代运行商业工程软件和自编软件的驱动引擎，最终完成模型的输入到输出的自动化集成。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明主要采用文件包装的方法，将商业软件和专业模型包装成通用组件的形式，专业模型无须公开源代码，就可以公布自己的输入输出信息。基于集成后组件的数据传递信息，不同的专业设计分析模型可以被纳入统一的集成优化设计框架下，在此基础上针对不同的运行方式设计调度引擎，就可以实现对集成的过程模型的自动化执行，从而实现多学科优化设计。
(2)复杂产品设计包含多个专业，各专业的数字化模型采用商业软件及自研软件建模。以往模型改变需要重新建模，需要做大量的重复工作。采用本发明的方式后，只需给出修改的参数，即可自动重新建模，自动获取分析结果。而且，这种文件包装器的方法实现模型的集成，只需确定模型的输入和输入文件，应用范围很广，不受具体应用程序的限制。
(3)全面提升复杂产品的性能和技术指标
通过复杂产品数字化模型集成技术应用、基于数字样机的系统论证、方案快速生成与优化、总体性能评估，可以在原理样机和方案样机阶段及早发现制约性能和技术指标的因素，并进行方案的优化，使得最终方案在现有条件的约束下达到最优的性能和指标。
(4)有效降低复杂产品研制成本、缩短研发周期
利用复杂产品数字化模型集成技术应用、集成优化及系统评估，可以在工程研制前对方案进行优化和决策，保证最终方案的先进性、可行性和经济性。减少设计和分析模型的模型重构周期，避免不必要的方案性调整，降低研制成本、缩短研发周期。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的文件包装器结构示意图，其中FW为文件包装器，DF为数据文件；
图3为本发明实施例1的平面视图下尺寸参数和关系式的定义；
图4为本发明实施例1的三维视图下尺寸参数和关系式的定义；
图5为本发明实施例1的零组件集成模型物理属性的分析和输出文件生成；
图6为本发明实施例3中的控制器闭环模型图；
图7为本发明实施例3中的系统传递函数图。
具体实施方式
如图1所示，本发明中的输入变量是软件模型中能够调节的变量，通过改变输入变量完成对集成问题的参数化设计，如输入变量x1，x2；输出变量是集成最终需要获取的数据，通过商业工程软件和自编软件的驱动引擎驱动应用程序运行输入文件获取输出文件，从输出文件中按固定格式获取输出变量，如输出变量y1，y2；输入文件在集成中负责存取输入变量值，同时是集成问题重新建模需要驱动的文件，如在输入文件中包含输入变量x1＝10，x2＝20，同时输入文件中包含其它重新建模所需的参数化语句；模板文件用来生成输入文件，模板文件在集成过程中保持不变，通过对模板文件中设计变量数值的替换生成新的输入文件，如模板文件中x1＝1，x2＝2，而通过更改设计变量值x1＝10，x2＝20生成输入文件；输出文件是通过商业工程软件和自编软件的驱动引擎驱动输入文件计算后得出的求解结果文件，输出文件用来保存输出变量，通过检索输出变量位置可以读取其数值，如从输出文件中检索出输出变量y1＝1，y2＝2；通过商业工程软件和自编软件的驱动引擎运行输入文件进行求解计算，根据集成软件不同选取其驱动命令，驱动引擎运行输入文件使模型再生从而得出输出文件；文件包装器的检索工具，即图1中的文件字符串的检索、替换/读取工具是文一般件包装器本身具有的，它通过对模板文件中输入变量位置、数据类型进行记录，通过商业工程软件和自编软件的中的输入变量替换以生成新的输入文件，同时对于输出文件采用该工具完成对输出文件位置、格式、数据类型的记录，通过这些记录可以对输出文件中的输出变量进行检索，读取，根据需要重新生成输入文件，运行程序，实现集成的自动化。
如图2所示，本发明中的文件包装器主要分为编辑器模块和运行支撑模块两个部分，编辑器模块包括文件设置，参数设置以及编辑管理，文件设置模块导入文件包装器文件模板，输入数据模板文件，输出数据文件，通过参数设置模块中的变量、数组、命令参数的设置生成文件包装器，并通过编辑管理模块进行选择和查询操作，将文件包装后输出，作为组件进行管理和使用；运行支撑模块包括输入解析、执行解析以及输出解析模块，输入解析模块接收组件数据解析后传递给执行解析模块，执行解析模块解析运行指令，进行相应的操作，运行商业软件及自编软件模块进行分析及计算，得到的数据输入输出解析模块，输出解析模块解析包装模型(软件)的数据。此外，本发明中使用的文件包装器也可以采用通用的具有上述功能的文件包装器。
本发明的方法是对某些复杂商业软件及自编模块包装后导入到客户端中，作为组件进行管理和使用，借助于该方法提供的辅助工具，可以将商业软件，如CAD/CAE软件：Patran/Nastran、Pro/E、Solidedge、Unigraphics等，科学计算软件Matlab、统计软件EXCEL、以及自编模块包装成组件，并将其发布到网络上，设计人员可以通过集成环境提供的工具方便的访问包装好的子系统模型，实现对于包装好的软件的执行控制及数据的自动转换。
下面结合具体的实施例，即商业软件的集成方法进一步对本发明详细说明。
实施例1，Pro/E软件设计模型的集成设计方法。
建模过程中选定的设计变量必须进行参数化，并建立关系式，通过文件包装的方法对过程文件进行封装，从而实现模型的参数化和优化设计，具体过程如下：
(1)模型的建立和参数化
a.草绘图中参数化尺寸的定义
集成模型的参数化是通过草绘图形的参数化和三维模型中关系式的定义实现的，在草绘图中要对需进行参数化的尺寸进行参数定义。在草绘界面下选择菜单Tools＞Relations，定义参数关系式，如图3所示。
b.三维模型中关系式的定义
在三维模型中，定义尺寸参数和关系式是模型集成的关键，从而实现参数的提取和模型的尺寸驱动。在三维模型显示状态下，选择菜单Tools＞Relations，定义参数关系式，如图4所示。
(2)生成输入文件和模版文件
通过对模型的尺寸参数化和关系式的建立，以及所需相关属性的分析和提取，在过程文件(trail.Txt)中记录了集成模型的输入变量和输出文件。基于过程文件生成模版文件和输入文件。
(3)集成模型的物理属性信息的提取及输出文件的生成
对每个零件组件在建立集成模型时，应附加材料信息，同时计算其物理特性，随零组件一同保存。以Model analysis工具进行，其计算公差与数据精度由设计者自定。在零组件的三维显示状态下，选择菜单Analysis＞ModelAnalysis，在分析内容对话框中选择所要分析内容，并把物理属性信息的分析结果保存输出，生成输出文件，如图5所示。
(4)模型的文件封装
通过文件包装器的文件字符串的检索、替换/读取工具对模板文件中输入变量位置、数据类型进行记录，对于不同的输入变量，根据这些记录对模板文件检索输入变量的位置，将模板文件中的输入变量替换以生成新的输入文件。调动Pro/E驱动引擎，驱动输入文件，实现模型的重构和再生，生成输出文件。对于输出文件采用该工具完成对输出文件位置、格式、数据类型的记录，通过这些记录可以对输出文件中的输出变量进行检索、读取，实现模型的重构和再生的自动化，完成集成。
实施例2，Patran/Nastran有限元分析模型的集成
建模过程中选定的设计变量进行参数化，完成参数化建模，对建立模型过程的命令流文件进行编辑，形成一个过程文件，通过文件包装的方法对过程文件进行封装，从而实现模型的参数化和优化设计。具体步骤如下：
(1)模型的建立和参数化
首先在建立模型前确定需要进行参数化的关键变量，这些关键变量主要有模型几何体中的重要尺寸，划分有限元网格的疏密控制数值，施加载荷的数值，有限元单元截面属性中尺寸等。
在Patran中建立模型，先定义关键变量，然后在建立模型的过程中使用变量建立参数化的模型，对于其中与关键变量具有关联关系的输入值要使用变量建立相应的表达式。建模过程要完成建立几何模型，划分有限元单元，定义边界条件，定义载荷工况和分析设置等。
(2)提取计算结果，生成输出文件
提交模型进行计算，使用PCL命令开发计算结果输出模块，对有限元分析结果进行提取，并把用户关心的部分分析结果按照固定格式输出到指定文件中，该文件即为输出文件。
(3)生成输入文件和模板文件
打开建立模型时由Patran生成的jobname.jou日志文件，该文件中记录了前面建模等操作的所有记录。对此文件进行编辑，添加对模型的注释和对参数化关键变量的说明，添加和修改有限元分析控制部分，使用PCL命令对分析结果进行提取，把需要关注的结果输出到指定的文件中；编辑完成后，形成可以用于包装的.ses过程文件，基于这个.ses过程过程文件生成模版文件和输入文件。
(4)模型的文件封装
通过文件包装器中的文件字符串的检索、替换/读取工具对模板文件中输入变量位置、数据类型进行记录，对于不同的输入变量，根据这些记录对模板文件检索输入变量的位置，将模板文件中的输入变量替换以生成新的输入文件。调用Patran程序，驱动输入文件，实现模型的重构和再生，生成输出文件。对于输出文件采用该工具完成对输出文件位置、格式、数据类型的记录，通过这些记录可以对输出文件中的输出变量进行检索，读取，实现模型的集成的自动化。
实施例3，基于M文件的Matlab集成，具体过程如下：
(1)将Matlab集成的问题进行归纳提取，明确输入变量、输入文件、M文件、输出变量、输出文件。对于多个文件互相关联的情况下处理好不同文件之间数据传输的接口问题。PID控制器闭环控制模型集成，如图6所示，系统传递函数图如图7所示。
输入变量：给定系统Plant的参数(a1，a2)，控制器PID参数KP，KI，KD
输出变量：闭环系统输入与输出的误差e
(2)编写M文件，包括对问题的求解函数语句、输入变量的读取函数语句以及按固定格式通过函数语句将输出变量写入输出文件。
PID_Analysis_Cmd.m文件
function PID_Analysis_Cmd
％PID_Simulink ％Load the model
[names，values]＝textread(′PID_PID.in′，′％s％f′)；％从输入文件读取输入值
pid(1)＝values(1)；％读取KP数值
pid(2)＝values(2)；％读取KI数值
pid(3)＝values(3)；％读取KD数值
[names，values]＝textread(′PID_Plant.in′，′％s％f)；％从输入文件读取输入值
al＝values(1)；％读取a1数值
a2＝values(2)；％读取a2数值
[tout，yout，F]＝PID_LSQ(pid，a1，a2)；
save′PID_F.out′′F′-ASCII ％输出误差e
exit；％关闭Matlab保证下次运行。
PID_LSQ.m文件
function[tout，yout，F]＝PID_LSQ(pid，a1，a2)
Kp＝pid(1)；％Move variables into model parameter names
Ki＝pid(2)；
Kd＝pid(3)；
opt＝simset(′solver′，′ode5′，′SrcWorkspace′，′Current′)：％simlink环境参数设置
[tout，xout，yout]＝sim(′PID_Simulink′，[0100]，opt)；％simlink仿真
F＝yout-1；％计算误差信号
(3)按固定格式编写输入文件、模板文件、输出文件。其中输入文件是通过模板文件修改其中的设计变量数值完成的。模板文件的格式决定了M文件中的输入变量的读取方法。输出文件按照一定的格式输出，通过M文件控制其格式。
输入文件或模板文件格式
PID_PID.in文件
KP＝0.7875
KI＝0.063
KD＝1.4766
PID_Plant.in文件
a1＝3.0
a2＝43.0输出文件格式(列出结果的其中三行)
-1.0000000e+000
-9.9186549e-001
-9.4591753e-001
(4)对基于M文件的Matlab程序进行集成封装。通过文件包装器对模板文件中的输入变量位置格式进行检索记录，提取其中的设计变量数值作为集成组件的输入变量，按模板文件格式替换相应的输入变量生成输入文件。驱动Matlab软件计算求解M文件生成新的仿真模型。并且将所需要的输出数据按一定的格式输出，文件封装器按照输出文件中输出变量的位置格式进行检索记录，提取其数值作为集成组件的输出变量，最终形成Matlab集成组件，用户只需通过修改组件中的输入变量，运行组件后即可得出新的输出变量。
Claims (3)
1、基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)建立进行商业工程软件设计分析模型和自编软件的设计分析模型，在该模型中确定输入变量，生成用于驱动的输入文件、模板文件；
(2)通过商业工程软件和自编软件分析计算，生成分析计算结果数据和文件；
(3)确定输出变量和输出结果文件的数据格式；
(4)根据上述输出结果文件的数据格式，通过文件包装器的检索工具对模板文件中的输入变量进行格式、位置及数据类型的记录，对输出文件完成输出变量位置、格式及数据类型的记录；
(5)根据输入变量数值，通过文件包装器的检索工具提供的输入文件记录，对模板文件中输入变量替换以生成新的输入文件；
(6)通过商业工程软件和自编软件的驱动引擎运行输入文件，重新建模计算生成新的输出文件；
(7)通过文件包装器的检索工具提供的输出文件记录对输出文件中的输出变量进行检索、读取，迭代运行商业工程软件和自编软件的驱动引擎，最终完成模型的输入到输出的自动化集成。
2、根据权利要求1所述的基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法，其特征在于：所述的文件包装器分为编辑器模块和运行支撑模块两个部分，编辑器模块包括文件设置，参数设置以及编辑管理，文件设置模块导入文件包装器文件模板，输入数据模板文件，输出数据文件，通过参数设置模块中的变量、数组、命令参数的设置生成文件包装器，并通过编辑管理模块进行选择和查询操作，将文件包装后输出，作为组件进行管理和使用；运行支撑模块包括输入解析、执行解析以及输出解析模块，输入解析模块接收组件数据解析后传递给执行解析模块，执行解析模块解析运行指令，进行相应的操作，运行商业软件及自编软件模块进行分析及计算，得到的数据输入输出解析模块，输出解析模块解析包装模型的数据。
3、根据权利要求1所述的基于文件的复杂产品数字化模型集成设计方法，其特征在于：所述的模板文件用来生成输入文件，模板文件在集成过程中保持不变，通过对模板文件中设计变量数值的替换生成新的输入文件，并重新运行程序，得到新的分析计算结果数据。
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