下一代数字化设计的创新与发展-MicrosoftPow

多领域物理统一建模技术多领域物理统一建模技术----CADCAD创新与发展的思考与实践创新与发展的思考与实践华中科技大学华中科技大学CADCAD中心中心武汉天喻软件有限责任公司武汉天喻软件有限责任公司陈立平陈立平[e-mail]@hustcad.com20072007年年1212月月提纲提纲z关于CAD的若干思考z信息化回顾z创新动机z多领域统一建模规范介绍z我们的研究与开发状况z建议与结论z国外研究与应用状况若干思考若干思考•CAD与国家创新工程•CAD的时代考量（内涵与模式）•CAD的拓展•CAD-从信息集成到模型集成制造业信息化历史回顾制造业信息化历史回顾•1980年代初托夫勒的《第三次浪潮》–IT技术是继工业革命后的第三次技术革命，在IT时代，穷国富国处于同一起跑线上•“八五”、“九五”科技部通过863计划启动2C工程–计算机辅助设计（CAD）应用示范工程--甩图板–计算机集成制造系统（CIMS）（后期更名为现代集成制造系统）•“十五”科技部将2C工程合并-制造业信息化工程–5个数字化：设计、制造、装备、管理、企业•“十一五”国策：信息化带动工业化，发展高新技术产业，提升传统制造业创新动机创新动机11：嵌入式时代：嵌入式时代•…PC、Internet时代后，已步入嵌入式时代•资源可重用、系统可重构是本时代的主要技术热点•面向服务(业务)的架构(SOA)/模型驱动的设计MDD/模型驱动的代码自动生成技术将成为本时代的重要基础支撑•在嵌入式时代，机、电、液、控、热等软、硬件等多物理领域对象高度集成与融合，复杂机电产品的研发必须在先进服务模式支持下，协作（同步）开发。•产品创新需要面向服务的新理论、新方法和新软件平台技术现代机电产品：现代机电产品：机、电、液、气、控、热机、电、液、气、控、热……多物理器件集成多物理器件集成发动机（燃油、电动）悬架系统（机械、液压、气动、磁流变等）动力传动系统（包括变速箱、离合器、差速器等）制动系统（包括ABS、ESP、TCS等）转向系统（全液压、电液、电动）空调系统创新动机创新动机22：数字化设计技术现状：数字化设计技术现状关键共性组件系统集成开发几何引擎Parasolid、ACIS几何约束引擎D－cubed显示引擎HOOPS。。。。。。。CAD1CAD2。。。。CADn•技术成熟，同质化，得到普及•重结构、轻性能•多几何设计、少功能设计•强信息集成，弱模型集成•缺系统综合能力•短辅助创新设计能力–“精致”的异构单领域工具，难以支持多领域协同开发•一般力学、多体系统动力学－机械系统动力学平台•固体力学－结构有限元分析FEM•流体力学－计算流体动力学CFD•电磁学－电磁场有限元分析•控制理论－Matlib/Simulink•液压系统－AMESim……–平台开放性差，软件封装知识，知识依赖软件–缺少系统建模、分析和优化的技术支撑–模型难以在现有技术平台上有效积累、集成、共享、重用–模型的重用性不足，缺乏统一建模规范–现有CAE以基础理论的软件化为重，工程界需要支持设计师计算活动的计算设计理论与技术创新动机创新动机33：计算理论与应用技术现状：计算理论与应用技术现状需求概念设计系统设计详细设计结构设计工艺设计CAD：画图现有CAE：校核创新的重要阶段缺乏技术支撑创新的重要阶段缺乏技术支撑创新动机创新动机44：：CAXCAX应用现状应用现状机器语言汇编语言高级语言结构语言面向对象语言面向工程人员的语言面向编程人员的语言•软件界长期以来羡慕机械电子行业的模块化、可重用的生产方式•软件技术的变革：SOA（ServiceOrientedArchitecture）–资源可重用，系统可重构，自动编程–模型驱动的架构、模型驱动的设计－－MDA、MDD–用户可依据自己的业务知识自动生成自己所需的应用软件–软件依赖于知识，用户将占据主动地位–知识协同、智能协同的时代即将到来面向业务的建模语言创新动机创新动机66：软件技术的发展：软件技术的发展创新动机创新动机77：我国产品设计的技术现状：我国产品设计的技术现状•设计能力弱于制造能力•设计缺乏系统性、理性的指导和技术支撑，多“形似”少“神似”•整机研发能力弱于单一零部件研发能力•复杂机电系统产品研发能力弱于单纯机械产品研发能力•设计多以传统常规为主，缺乏鲁棒性、优化设计和使能手段•缺乏数据和知识的积累与重用，急需支持数据、知识集成和重用的支撑平台•缺乏专业化分工服务知询系统匹配能力弱未来产品设计服务的特征未来产品设计服务的特征•机电产品本构的多域性需要统一的模型表达标准•专业化知询服务需要知识与软件平台分离，如同Software\hardware是软硬件产业的产品形态，独立的知识件（knowledge-ware）当成为未来知询产业的产品形态•在支持统一模型标准的SOA（面向服务的架构）平台上，用户以重用知识件的方式，“搭建”产品模型，以重构的方式，生成产品的设计计算程序，在不断的应用中或自行或与知询商合作丰富发展专业知识库。•未来产品设计服务产业的“生态”：模型标准+专业知识库+统一的计算设计平台+用户ModelicaModelica：工业领域的：工业领域的JAVAJAVA•本构描述的多领域性和系统的复合性是复杂机电系统的重要特征•目前的机电产品设计理论、方法及工具均侧重单一领域的建模与分析，未能从本构上体现机电产品的上述特征，已不能满足日趋复杂的机电产品创新设计的需要。为此需要新的理论、方法和支撑技术•欧美于1996年开始针对性地开展了多领域物理建模与分析，并提出了具有普适性、可拓展的多领域物理建模语言modelica,取意“模型计算”，并成立了开放的国际合作组织MA（）,旨在为下一代复杂机电系统设计方法与技术提供模型知识的表达、计算的规范，最终使之成为技术引领标准。•Modelica被认为是IT技术与工业领域的具有里程碑意义的基础创新，近年来技术在一批重要行业的典型产品的开发中得到成功应用，得到国际研究机构及工业界的认同，发展迅猛，2006年6月法国达索系统宣布以modelica为技术标准实施“knowledgeinside”，国外重要企业及研究机构已宣布以modelica为模型表达标准基于基于ModelicaModelica的产品建模的产品建模未来产品研发平台的形态未来产品研发平台的形态•产品研发平台是企业工程知识经验的结晶，是企业的核心竞争力的体现，是买不到的•以知识为主体，在资源可重用、系统可重构的架构平台的支撑下，在统一建模规范的基础上，由企业+专业知询服务+平台协作积累、搭建而成创新动机创新动机55：目前用户、：目前用户、CAXCAX供应方、服务方的关系供应方、服务方的关系•软件平台商缺乏专业知识•用户无法将专业知识植入平台•服务方根据个性化需求在异构的平台上以异构的API进行二次定制，效率低，无法重用，用户难以维护，服务难以成为健康的产业•在传统的模式下，我国相关机构缺乏核心技术的把握•一味地强调集成将导致核心技术的空心化CAX1CAX2CAX..异构的定制1异构的定制2异构的定制..产品设计计算服务的新模式产品设计计算服务的新模式建模规范与标准产品建模及计算设计平台平台开发机构工业基础模型库知询服务机构企业模型库企业产品建模及计算设计平台知询服务机构平台开发机构企业产品创新研发平台华中科大的数字化设计创新：华中科大的数字化设计创新：C3PC3P--M3PM3PCAXCAX多体系统建模与分析多体系统建模与分析MMultiulti--bodyDynamicsbodyDynamics多领域统一建模与分析多领域统一建模与分析MMultiulti--domainModelingdomainModeling多学科协同优化多学科协同优化MDOMDOMMultiulti--disciplinedisciplineCollaborativeOpt.CollaborativeOpt.PProductroductLifecycleManagementLifecycleManagement•复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战c2幻灯片18c2PLM已明确为重点项目在CAD引领技术方面应当予以重点考虑chenlp,2006-5-23多领域物理建模方法多领域物理建模方法•基于接口的方法•基于高层体系结构（HLA）的方法•基于统一建模语言（Modelica语言）的方法—下一代模型计算语言----EUROSIM多领域建模是为实现复杂系统的协同仿真而多领域建模是为实现复杂系统的协同仿真而产生的建模技术，其目标是将机械、电子、产生的建模技术，其目标是将机械、电子、液压、控制等不同学科领域的模型集成一液压、控制等不同学科领域的模型集成一体，以实现协同设计、分析和仿真体，以实现协同设计、分析和仿真基于接口的方法基于接口的方法缺点：需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系，需要各专用仿真软件提供相互交互的接口，不具有标准性、开发性，扩充困难二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势基于基于HLAHLA的方法的方法缺点：相比基于接口的方法，其标准性和开发性得到提高，但仍需要各专业仿真软件提供与HLA的接口，仍需要人为地割裂耦合关系，仍需要针对不同的仿真应用配置模型接口、编写集成代码，多个求解器步长协调存在技术问题二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势产品设计与产品设计与CADCAD的释义的释义•CADrafting2D•CADesign3D•CADevelopMulti-D从几何空间到状态空间•产品设计是产品的功能设计•产品模型是多领域、多学科统一综合描述•产品设计最终目标是产品性能的优化设计复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战三个层面提出了新的挑战•对象的本构多域性－基于中性统一表达的模型集成•进程的复杂性－基于协同工作流的过程集成•手段的多样新－基于HLA的多学科数据集成以资源可重用、系统可重构为模式的复杂产品建模、分析、仿真、优化一体化的设计技术c1幻灯片23c1PLM已明确为重点项目在CAD引领技术方面应当予以重点考虑chenlp,2006-5-23关于关于modelicamodelica•本构描述的多领域性和系统的复合性是复杂机电系统的重要特征•目前的机电产品设计理论、方法及工具均侧重单一领域的建模与分析，未能从本构上体现机电产品的上述特征，已不能满足日趋复杂的机电产品创新设计的需要。为此需要新的理论、方法和支撑技术•欧美于1996年开始针对性地开展了多领域物理建模与分析，并提出了具有普适性、可拓展的多领域物理建模语言modelica,取意“模型计算”，并成立了开放的国际合作组织MA（）,旨在为下一代复杂机电系统设计方法与技术提供模型知识的表达、计算的规范，最终使之成为技术引领标准。•Modelica被认为是IT技术与工业领域的具有里程碑意义的基础创新，近年来技术在一批重要行业的典型产品的开发中得到成功应用，得到国际研究机构及工业界的认同，发展迅猛，2006年6月法国达索系统宣布以modelica为技术标准实施“knowledgeinside”，国外重要企业及研究机构已宣布以modelica为模型表达标准ModelicaModelica语言开发成员语言开发成员•HildingElmqvist,Sweden•FabriceBoudaud,France•JanBroenink,Netherlands•DagBrück,Sweden•ThiloErnst,Germany•PeterFritzson,Sweden•AlexandreJeandel,France•KajJuslin,Finland•MatthiasKlose,Germany•Sv