三、基于软件的智能设计技术

（一）概述

智能设计是基于软件技术的。软件技术将人在产品设计中的工作程序化、知识模型化，从而辅助或代替人的工作。随着软件技术、知识工程的发展，软件系统所代替的人的工作也从简单、重复的工作向复杂、创新性的工作方向发展。

产品设计软件系统是一种依赖于计算机硬件、外部设备及开发环境和工具进行产品设计的综合系统，涉及多学科领域。设计人员在设计软件系统的辅助之下，通过人—机交互操作方式进行产品概念设计、总体设计和详细设计，以及技术文档和有关技术报告的编制和管理等。在每一个子阶段所采用的单元软件系统有所不同，如图3.17所示。

产品概念设计阶段包括分析用户需求到生成概念产品的一系列设计活动，是一个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体的过程。概念产品是关于产品总体性能、结构、形状、尺寸和系统性特征参数的描述。在产品概念设计阶段，主要采用CAI技术和KM技术。KM技术是一种共性技术，企业的各个环节都要用到KM技术。另外，一些CAE工具可以用于初步分析产品概念设计的可行性。

产品总体设计主要完成产品整体结构的设计，使产品能够满足用户需求。在产品总体设计阶段，主要采用CAE技术和CAD技术。

产品详细设计主要完成产品中的各零部件的结构设计，编制产品物料清单（Bill of Material, BOM）。在产品详细设计阶段，主要采用CAD技术，有时需要采用CAE技术，进行零件的性能分析。

产品标准化设计贯穿在产品总体设计和详细设计阶段，并在所有图纸完成后，进行标准化审核。在产品标准化设计阶段，主要采用CAS技术和CAD技术，进行产品系列化、标准化和模块化设计，满足未来市场可能出现的各种个性化需求。CAS是制造业信息化中的合理化方法之一，是一种共性技术。

（二）基于CAD系统的智能设计

1．概述

（1）CAD系统。计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）的概念和内涵在不断地发展中。1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。

CAD技术起步于20世纪50年代后期。进入60年代后，CAD技术随着在计算机屏幕上绘图成为可能而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱烦琐、费时和低精度的传统手工绘图。当时，CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，代替图纸媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。此时，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即Computer Aided Drawing的缩写。到70年代末期，随着技术的发展，CAD系统介入产品设计过程的程度越来越深，系统功能越来越强，逐步发展成为真正的计算机辅助设计（Computer Aided Design）。

根据模型的特点，CAD系统一般分为二维CAD系统和三维CAD系统。

（2）传统CAD系统存在的问题。尽管CAD技术有了很大的发展，成熟软件不断推出。但面对越来越普遍、复杂的应用要求，传统CAD系统缺乏足够的灵活性和智能化，并且难以掌握，缺少对设计过程的全面支持及彼此之间的设计信息流通。因此，智能化是新一代CAD系统的发展方向。

2．智能CAD系统

智能CAD（ICAD）系统是不断发展的、没有最终的形态。初级阶段的ICAD系统提供了推理、知识库管理、查询等信息处理能力，其典型代表是设计专家系统。ICAD系统把人工智能技术与优化设计、有限元、计算机绘图等各种技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、结构设计、性能分析、图形处理等设计全过程（张晶莹，2003）。

ICAD系统能对产品设计的各阶段工作提供支持，有唯一且一致的数据描述，具有发现错误、提出创造性方案等智能特性，有良好的人机智能交互界面，同时能自动获取数据并生成方案，能对设计过程和设计结果进行智能显示。

ICAD系统拥有解决设计问题的知识库，具有选择知识、协调工程数据库和图形库资源共同完成设计任务的推理决策机制。图3.18是一种ICAD系统结构框架（殷国富，1994）。

案例：一家名叫Knowledge Technologies International（KTI）的英国公司开发的ICAD能够使设计者将几何概念与专家的知识库联系起来，还能够联系诸如产品指标、性能数据、安全性代码之类的信息。ICAD已被用于缩短空中客车A340-600的设计时间，该飞机是A340-300的加长型，可以容纳380名乘客，而A340-300的载客量只有295名。英国航空公司（British Aerospace, BAe）使用ICAD来设计机翼以及用来将150座的A320“拉伸”成195座的A321的两个额外机身部件之一（Nairn,2001）。

3．基于CAD系统的智能设计的发展方向

（1）CAD系统的智能化

1）在CAD系统中融入更多的知识和专家系统，能在某个特定领域内，用人类专家的知识、经验和能力去解决该领域中复杂困难的设计问题，其基本思想是使计算机的工作过程能尽量模拟领域专家解决实际问题的过程。专家系统在CAD作业中适时给出智能化提示，告诉设计人员下一步该做什么，当前设计存在的问题，建议解决问题的几何途径；或模拟人的智慧，根据出现的问题提出合理的解决方案。

2）人工神经网络在智能CAD系统中的广泛应用，如基于人工神经网络的设计领域知识表达、知识自动获取。人工神经网络具有下列特征：①它包含大量的人工神经元，提供了大量可供调节的变量；②信息是分布式存储的，从而提供了联想与全息记忆的能力；③具有高度的自适应能力、高度的容错能力、很强的计算能力以及自组织能力。

神经网络和专家系统有联合起来的趋势，神经网络也可设计成某种专家系统，实现专家系统的功能。基于神经网络的专家系统在知识获取、并行推理、适应性学习、联想推理、容错能力方面明显优于传统的专家系统。

3）更友好的人机界面，将计算机高速处理、海量数据存储和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力相结合，使人机双方各自的优势得到充分发挥，相互协调能力进一步提高。

（2）产品模型的智能化

模型是产品的实际结构在CAD系统中的具体体现，是计算机“认知”产品的基础。产品结构本身能表现出来的属性（特征）是无限的，但可用的计算机资源、人们的认识知识是有限的。

1）产品模型协同建立的智能化。依靠大家的力量，集中大家的智慧，协同建立产品模型，包括仿真模型、模块模型等。例如，Modelica是一种开放的、面向对象的、以方程为基础的语言，可以跨越不同领域，方便地实现复杂物理系统的建模，包括机械、电子、电力、液压、热、控制及面向过程的子系统模型。Modelica库包含了大量的模型，其中，开放的Modelica标准库包括了不同物理领域的920个元件模型，具有620种功能。Modelica是一个开放的物理建模平台，可用于许多商业软件。目前，越来越多的行业开始使用Modelica语言进行模型开发。尤其是汽车领域，如Audi、BMW、Daimler、Ford、Toyota、VW等世界知名公司都在使用Modelica来开发节能汽车、改善车辆空调系统等。非营利国际组织Modelica协会对Modelica进行开发和维护，并公开它的标准程序库。

2）多学科优化模型的智能化。一个产品往往综合了几个甚至几十个学科的知识，学科之间都是相互联系、相互影响的，而多个需求之间很多时候又是相互矛盾的，这些都迫使人们开始多学科、多目标优化的研究。多学科优化模型将多个学科的分析集成到一个系统中，充分考虑多个学科间的耦合、反馈和相互影响，考虑多个目标之间的相互影响，从而提高设计方案的可靠性和全面性，同时提供丰富的优化策略自动化地在设计空间内寻找同时满足系统总体最优的设计。多学科设计优化模型采用多目标机制平衡学科间的影响，探索整体最优解，避免串行重复设计导致的人力、财力浪费。

进行多学科优化设计的主要目的是：①将设计过程系统化，即让参与整个系统设计的全部学科的人员都了解到其他学科的约束要求和优化目标，使设计从一开始就有全局观，避免设计过程中由于互相之间不了解而造成设计撞车，从而导致设计更改、浪费时间与经费的现象发生；②让传统的机、电、控制等设计专业在实现设计的过程中把可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性这些专业结合起来，贯穿到整个系统设计过程中。

（3）协同设计的智能化

1）企业内员工间协同设计的智能化。主要是实现知识共享平台的智能化，能够跟踪分析员工在该平台中的表现，给出排名，激励员工积极参与知识共享和交流，协同学习，共建知识网络；实现知识网络的智能化，支持专业分工，知识互补，多学科协同优化，避免重复研究，快速确定研究方向。

2）企业间协同设计的智能化。主要是实现标准协同建立的智能化，减少标准制定时间，提高标准质量；实现专利池协同建立的智能化，协同创新，成果共享；实现零件库协同建立的智能化，协同设计，提高零部件的模块化和标准化水平。

3）企业与客户间协同设计的智能化。主要是实现客户自主设计平台的智能化，支持客户快速定制自己需要的产品，同时这些定制产品对企业而言是容易制造的；实现客户体验的智能化，让客户在购买产品前对产品的使用有很好的体验，找到自己喜欢的产品，同时企业所提供的体验服务的成本要尽可能低，以便体验服务是企业和客户都可以接受的。

（三）基于CAE系统的智能设计

1．概述

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）于20世纪60年代初在工程中开始得到应用，是实现重大工程和工业产品计算分析、模拟仿真与优化设计的工程技术。CAE软件是计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。在产品开发中，CAE技术的应用通常贯穿于产品整个开发过程。

2.CAE系统

CAE系统不像CAD系统那样比较单一，其所涉及的系统和方法很多，主要有：

（1）有限元法（固体力学应用）。用计算机系统把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的小块（称网格单元），然后逐个加以分析，计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。

（2）模态分析法（固体动力学应用）。主要用于分析冲击和变负荷的动态结构，在振动分析的基础上可动画地显示其结构。对于一台由许多零件装配而成的机器，可以用有限元法或模态分析法求出每个零件的变形或振动量，然后根据装配的连接条件求得整体结构的变形和振动。

（3）运动仿真。CAE系统可以对运动机构进行动态分析，并可画出机构运动的动态过程，以便检查机构的运动轨迹，校核运动件的干涉情况，还可计算出各构件的运动速度、加速度和受力的大小，可以仿真运动组件的加速力和重力的反作用力。同时，还可以综合考虑诸如弹簧弹力、电动机驱动力、摩擦力和重力等动力的影响，相应调整产品性能。

（4）方案优选。CAE系统采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为精细、全面和合理。不同的产品，往往有不同的方案优选系统。

（5）可靠性分析。通过计算机进行可靠性分析，使工程师能够预测和改善其设计方案的疲劳性能，减少可靠性试验次数。

（6）制造过程仿真。对金属切削加工、铸造、焊接、成型、试验、装配和物料流动等各种工艺过程进行仿真，除了对产品加工质量进行预测之外，还可以深入研究这些工艺过程的机理和规律，了解产品设计的合理性、可加工性和加工方法，选用机床和工艺参数。

（7）产品装配仿真。机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，通常要到产品总装配时才能发现，从而导致零件的报废和工期的延误，并造成巨大的经济损失和信誉损失。采用产品装配仿真技术可以在产品设计阶段就进行可装配性验证，确保设计的正确性。

（8）虚拟样机与产品工作性能评测。首先进行产品的实体建模，然后将该模型置于虚拟环境中进行仿真和分析。这样，可以在设计阶段就对设计的产品进行装配、加工和运行过程进行仿真，解决许多不可预见的问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。

3．案例：CAE在汽车研发中的应用

在汽车研发过程中，从结构的刚度分析、强度分析、疲劳寿命分析，到整车动力学分析、被动安全与乘员保护分析，CAE分析几乎涵盖了汽车性能的所有方面。例如，丰田开发新型花冠牌轿车时运用了CAE技术，无须制造试验车，只需把众多工序在计算机上进行演示即可，开发时间缩短18个月。又如，万向集团通过引进Pro/E等三维设计、ANSYS有限元分析软件和ADMAS汽车悬架动态模拟软件等进行深层次应用，由单个产品性能测试转向系统匹配动态模拟，进行运动、受力的模拟分析，表达零件的真实工作情况，不但优化了设计，还能够发现静态设计过程中无法发现的问题。

4．基于CAE系统的智能设计的发展方向

（1）核心功能深入化，使用环境简单化。在仿真技术向专业化方向深入发展的同时，仿真环境却逐步靠近使用者。由于仿真环境的方便易用，软件使用者不需要掌握深奥的核心技术和背景知识，只需较少的操作即可准确完成仿真设计工作。

过去，在使用CAE软件时需要自己进行实体建模，从而带来诸多不便。现在，可用CAD软件完成实体建模，CAE软件直接使用CAD模型即可。CAE和CAD之间可以双向参数互动，任何一方修改了模型，另外一方只需刷新即可得到新的模型。

（2）多学科联合仿真和多物理场耦合。多学科及多物理场耦合技术是保证仿真结果逼近真实世界的重要技术，如火箭、飞机、船舶等复杂工业产品的设计对此有强烈的需求。

达索系统的产品Simulia可以建立一个模拟仿真软件的生态系统。随着各个领域精英不断地加入这个开放式的产品开发平台，可以开展多学科联合仿真和多物理场耦合研究。

（3）产品高性能仿真计算。非线性问题的增多使得CAE分析中的解题规模相对于线性问题呈几何级数增长。产品仿真中的物理场仿真也对高性能计算技术提出了迫切需求。CAE系统已经开始采用不同机型及操作系统的混合网络、局域网连接的工作站/PC机群、计算网格上的并行计算和云计算，来解决上述问题。

（4）统一有限元（FEA）。尤其是在汽车、航空航天领域，统一有限元的概念使原来功能分散的各类有限元分析软件被统一的软件解决方案所取代。这有助于减轻仿真测试工程师的工作量，提高研发质量和效率。

（5）CAE与计算机辅助测试（CAT）技术的结合。CAE与CAT技术相结合，借助虚拟原型技术，形成一种广义的CAE技术，又称为产品评估。日本三菱公司利用这一技术将试验与仿真的数据结合起来，把不同开发小组的试验模型及载荷与虚拟模型相结合，从而预测车辆的结构及其他功能品质性能。

（四）基于虚拟现实的智能设计

1．虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality, VR）的概念是20世纪80年代初提出的，它是综合利用计算机图形系统以及各种显示和控制接口设备，在计算机上生成的可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实技术又称临境技术，是一种高级仿真技术。虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“进入”该环境中，实现用户与环境的自然交互，同时环境对用户的控制行为做出动态的反应，并能为用户的行为所控制。运用该技术建立的模型世界可以是真实世界的仿真，也可以是抽象概念的建模。由于虚拟现实技术强调介入者的亲身体验，是一种人与技术融为一体的全新的人机交互的计算机系统，它能逼真地模拟和重现现实世界，并对用户的操作实时做出反应，为用户提供一个与计算机所产生的三维图像进行交互的平台。

虚拟现实技术以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体；借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、对象等，因而也能拟实制造过程和未来的产品，从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受。利用虚拟现实技术，创新的大量过程和中间结果可以在计算机上进行仿真，减少实物制造成本和周期，提高创新的效率。在产品设计阶段就能模拟出该产品的整个生命周期，从而更有效、更经济、更灵活地组织生产。

虚拟现实系统具有以下特征：

（1）沉浸（Immersion）。指用户借助各种先进的传感器进入虚拟环境后，由于感受异常逼真，使得他相信一切都“真实”存在。

（2）交互（Interaction）。指用户对虚拟环境内的物体进行实时操作的程度以及能从该环境得到反馈的真实程度。

（3）想象（Imagination）。指由虚拟环境的逼真性与实时交互而使用户产生丰富的联想，是获取沉浸的必要条件。

（4）自主（Autonomy）。指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。

（5）存在（Presence）。指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。

2．虚拟现实技术在智能设计中的应用

虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，在这个环境中，人们的视觉、听觉和触觉等的感受如同身处真实环境，人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互。这就是它的所谓“沉浸性”“实时性”和“主动的交互性”。在这个环境中，设计、制造和使用的产品，并不是实物，不消耗实际材料，也不需要机床等设备，只是一种图像和声音的所谓“数字产品”而已。利用这种数字产品，可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性和合理性，预测产品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。虚拟现实技术为我们实施并行工程、敏捷制造，减少失误和返工，缩短研制周期和提高产品质量提供了一个最佳的环境。

3．基于虚拟现实的智能设计的发展方向

（1）产品的外形设计。如外形造型设计是汽车设计的一个极为重要的方面，以前多采用泡沫塑料制作外形模型，要通过多次的评测和修改，费工费时。而采用虚拟现实建模的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。

（2）产品的布局设计。在复杂产品的布局设计中，通过虚拟现实技术可以直观地进行设计，避免可能出现的干涉和其他不合理问题。如工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等，都需要该技术的支持。在复杂的管道系统、液压集流块设计中，设计者可以“进入”其中进行管道布置，检查可能的干涉。在汽车、飞机的内部设计中，“直观”是最有效的工具，虚拟现实技术可发挥不可替代的积极的作用。

（3）机械产品的运动仿真。通过虚拟现实技术可以帮助解决运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等。

（4）产品装配仿真。机械产品中有成千上万的零件要装配在一起，其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误，且往往要到产品最后装配时才能发现，造成零件的报废和工期的延误，不能及时交货造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟现实技术可以在设计阶段就进行验证，保证设计正确。

（5）产品加工过程仿真。产品加工是个复杂的过程。产品设计的合理性、可加工性、加工方法和机床的选用、加工过程中可能出现的加工缺陷等，有时在设计时是不容易发现和确定的，必须经过仿真和分析。如冲压件的形状或冲压模具设计不合理，可能造成冲压件的翘曲和破裂，造成废品。铸造件的形状或模具、浇口设计不合理，容易产生铸造缺陷，甚至报废。机加工件的结构设计不合理，可能无法加工，或者加工精度无法保证，或者必须采用特种加工，增加了加工成本和加工周期。通过仿真，可以预先发现问题，采取修改设计或其他措施，保证工期和产品质量。

（6）虚拟样机与产品工作性能评测。传统的设计、制造需要一系列的反复试制，许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中，甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后，通过试运转才能判定。这时，多数问题是无法更改的，修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此，常常要进行多次试制才能达到要求，试制周期长，费用高。而采用虚拟制造技术，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试制成功率。采用虚拟现实技术，可以方便、直观地进行工作性能检查。