现代设计方法第五讲：并行设计

第五讲：并行设计北京理工大学宇航学院宋晓东现代设计方法——并行设计一、并行设计的基本概念（问：千斤顶设计时，考虑过加工工艺吗？考虑过用什么机床吗？考虑过怎样定位、采用哪些夹具吗？）美国国防分析研究院于1988年给出了并行工程的定义：集成地、并行地设计产品及其相关过程，包括制造过程和支持过程的系统化方法，这种方法可以使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有因素，包括质量、成本、进度及用户需求。。现代设计方法——并行设计在现代社会，随着社会竞争的加剧，高新技术的发展，不允许企业再按部就班地、孤立地开发新产品，它要求将不同的专业人士（包括设计、工艺、制造、销售、市场、维修等）组成并行开发小组，以协同工作方式进行开放的和交互式的联系，以便缩短从概念设计至开始生产的生产准备时间，消除各种不必要的返工，使产品一次开发成功，增强“全局成本意识”，获得优良的性能价格比。现代设计方法——并行设计二、并行设计的基本过程和特点1，串行设计过程与并行设计相比，首先给出传统串行设计的一般过程。传统的串行设计，在信息集成的阶段，串行开发模式、组织模式通常是递阶结构，各阶段的工作是按顺序方式进行的，一个阶段的工作完成后，下一阶段的工作才开始。各个阶段依次排列都有自己的输入和输出，如图所示。北京理工大学宇航学院现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院生产设计市场生产制造工艺设计方案设计详细设计结构设计顾客需求传统串行设计过程现代设计方法——并行设计生产设计市场生产制造工艺设计方案设计详细设计结构设计顾客需求传统串行设计过程在串行设计过程中，设计部门一直是独立于生产过程，例如汽车设计院只负责设计，不考虑加工工艺，与生产环节脱节，导致开发的产品很少能一次投入批量生产(需要试制一些)，往往是加工完产品，才能发现错误，就需要返回去重新设计。无形之中使产品开发周期延长，制造成本上升，市场竞争力差。现代设计方法——并行设计串联方法的设计生命周期总时间可表示为：SE=[T需求分析+T产品设计+T产品制造+T售后服务]R返工系数式中：SE为串行设计所需用的时间；T为完成各个阶段所用的时间；R为返工系数。现代设计方法——并行设计引起返工的主要因素有：①设计不合理，加工生产困难；②根据设计要求，需要增添新的生产设备；③过高的精度要求，加工难以完成；④装配干涉，导致无法装配等。现代设计方法——并行设计以上因素严重影响了所开发新产品的上市时间，串行设计的返工系数值常超过2。R返工系数＞２总之，串行设计以顺序开发为前提，整个开发设计的不同阶段采用不同的开发系统或工具，数据共享不能实现和完成；频繁的设计修改，导致产品设计成本上升；设计时间过长，没有迅捷的市场应变能力，从而对市场需求的反应迟钝。现代设计方法——并行设计2．并行设计过程并行设计是对产品设计及其相关过程进行一体化、系统化的工作模式，如图所示。并行设计将产品开发周期分解成许多阶段，每个阶段有自己的独立时间段，组成全过程。不同的设计时段之间有一部分重叠，代表了不同设计阶段之间可以同时进行，一般两个相邻阶段重叠，需要时，可以有三个或更多的阶段相重叠——齐头并进。北京理工大学宇航学院现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院2.产品并行设计体系框架每一设计活动在前一环节完成之前就开始进行。将上、下游的设计要求作为本设计工作的约束条件，进行目标优化设计和相应评价。引入反馈流，各设计结果及时反馈给上游进行设计评价和修改。应用过程管理软件对产品开发过程进行信息化管理。现代设计方法——并行设计在设计工作过程中，当上一组有输出时，相关联的设计阶段马上进行相应的完善设计工作，直至所有工作阶段无输出时，整个设计便宣告完成。显然，并行设计完成产品设计的时间远远小于串行工程所用的时间。并行设计的返工系数一般在0.25～0.75之间：R返工系数≌0.5现代设计方法——并行设计为保证顺利实施并行设计，主要的关键技术如下：(1)产品的信息建模和开发过程的集成。(2)实现从目标管理到过程管理转变。(3)在产品数据库管理支持环境下，建立产品开发过程建模软件工具、过程监控和管理工具以及协调冲突仲裁工具等。(4)团队工作方式和协同的工作环境。现代设计方法——并行设计1）并行性：产品和设计过程，在同一时间框架内进行。2）约束性：过程约束性被认为是产品设计的一部分，从而保证设计出的零件易于制作、搬运和装配，并便于采用简单成本核算的工艺、工装和物料贮运方法。3）协调性：产品和过程密切协调以获得有效成本、质量和交货期的最佳匹配。4）一致性：产品和过程的重大决策要征求全组人员的意见并取得一致。并行设计具有四个方面的特性（四c特性）现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院并行设计的工作方式——群组式产品开发过程的并行化要求与产品开发有关各部门同时工作、共同工作，由各有关部门工程技术人员组成产品开发工作群（必要时还可分成若干小组）。在产品开发过程中，有关人员同时在线，有关信息同时在线，工作步骤交叉平行，此即工作群组工作方式现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院产品信息模型统一化并行设计的产品信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同表述形式、不同抽象程度、不同关系、不同结构的产品信息包容在一个统一的信息模型之中。模型信息不仅包含完备的几何形状、尺寸信息，而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息等。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院分布式软硬件环境并行设计意味着在同一时间内多机、多程序对同一设计总是并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件、并行设计面向对象的软件系统，分布式的知识库、数据库，能够根据产吕设计的要求动态编联成相互独立的模块在多台终端上同时运行，并利用网络的机间通信功能实现相互之间的同步协调。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院日本NEC公司某产品开发过程的并行重组现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院并行工程的应用效果现代设计方法——并行设计现代科技发展迅速，新产品层出不穷，产品的市场寿命大大缩短，为顺应客户需求的变化并做出实时反应，已经成为压倒一切的竞争因素。图示为美国制造业的经营战略的变迁过程：20世纪50年代、60年代祟尚“规模效益第一”；70年代追求“价格竞争第一”；80年代关注“产品质量第一”；到了90年代则考虑“市场响应第一”成为企业获益和生存的首要条件。“市场响应第一”是目前并行设计技术发展的主要原动力。三、并行设计发展趋势现代设计方法——并行设计50年代：生产规模60年代：生产规模70年代：生产成本80年代：产品质量90年代：市场响应速度美国制造业经营战略的变化过程现代设计方法——并行设计并行设计有以下几个发展趋势：(1)产品设计的虚拟化和集成化——虚拟产品开发。(2)产品的网络化、敏捷化——基于虚拟企业的产品开发。(3)产品设计的个性化、人性化——大规模定制。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.宇航火箭发动机自顶向下的并行设计设计内容：为某航天运载器的小型推力火箭发动机设计方法：使用PTC公司的Pro/ENGINEER2001、Pro/INTRALINK软件，采用自顶向下的并行设计现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院火箭发动机原理现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1设计方法及步骤1.确定设计师系统及产品逻辑结构层次2.总体设计师确定产品组成、布局和关键尺寸3.总体设计师创建发动机的骨架结构4.骨架结构的分发5.分系统设计师开展自己的设计工作6.产品的装配7.生成工程图现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.1确定设计师系统及产品逻辑结构层次根据设计目的确定产品的逻辑结构层次，形成产品树。并按照设计师系统分别设定设计师的权限。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.2总体设计师确定总体设计方案形成总体设计方案，确定发动机的组成结构、关键尺寸以及各分系统接口尺寸；给定设计约束条件、设计参数、产品的装配关系等；建立表示部件设计的参数表，表中包括注释、全局参数、全局位置信息，以及组件、约束条件、需求以及说明现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.3总体设计师创建发动机的骨架结构发动机总体设计师抽象发动机的真实结构，用线、曲面、基准平面构筑发动机的包络体、接口结构和空间装配位置，并增加尺寸关系，以通过发动机布局控制实体的关键尺寸、接口结构以及空间结构。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.4骨架结构的分发自上而下地分解设计目标，将设计信息传递给各分系统具体实施设计；分系统从上级系统获得某些关键尺寸和定位基准，并在上级系统确定的边界内展开产品的整个设计过程，最终完成总体性能最优的设计。总体设计人员、各分系统设计人员可同时开展设计，并可互相参考设计；首先由发动机总体设计师将骨架零件检入到公用区中，此时分系统设计师便可从公用区中将骨架零件检出到自己的工作区中，完成骨架零件的分发，以便下一步开展设计时使用；在公用区中，各设计人员均可随时得到最新的设计资料。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.5分系统设计师开展自己的设计工作系统设计师根据上一级设计师给出的骨架文件在本地具体化后开始设计工作。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.6产品的装配现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.1.7各级设计师分别按照标准要求完成工程图现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院3.2并行设计的优势总体设计师/各分系统工程师可同时并行工作，每个人进行的设计均可及时反馈给其他设计师，设计信息可完全的及时共享。保证了共用设计和信息的一致性，可有效地、快速地传递设计变更信息。并行设计方法可以保证产品的关键设计信息始终处于整个设计的核心，对这些核心设计信息的修改将自动更新整个产品系统。现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院更改发动机布局现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院发动机三维模型自动更改现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院发动机药柱随壳体相应变长现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院药柱分布按要求变化图现代设计方法——并行设计北京理工大学宇航学院工程图自动改变