MBSE产品模型架构应用：基于模型的系统工程 (MBSE) 在汽车传动系统子系统架构中的应用

Presented By: Robert Kraus, George Papaioannou and Arun Sivan

简介与概要

当前状态：当今的汽车传动系统工程过程是“基于文档的”

● 复杂的系统需求和规范通过大量电子数据进行沟通 

● 经常导致要求不完整或相互冲突 

● 低效、冗余、容易出错 

● 运行变更会引入潜在问题

摘要：

● 获得并解构现有的传动系统方法和选型工具

● 确定了在传动系统工程中改进需求可追溯性的需求

● 使用SysML创建详细的传动系统模型来应用MBSE的概念

● 为选型计算添加了参数约束

● 交付功能MBSE模型作为概念证明

传动系统定义和概念

架构： 

● 传动系统系统将动力系统输出连接到驱动轮 

● 主要功能是将驱动扭矩从动力系统传递到地面（车轮）

● 驱动系统子类型，例如 FWD、RWD、AWD 在 SysML 中被视为泛化

组件： 

● 驱动轴/半轴 - 将扭矩传递到前/后或左/右 

● 车轴 - 将驱动轴扭矩倍增并引导至车轮 

● 附件 - 分动箱、PTU、断开装置、U 形接头、CV 接头、挠性耦合器

选型： 

● 每个组件、系统和子系统的设计优化是主要目标

● 选型工具将输入数据转换为所有车辆变化的扭矩输出，并使用行业标准方程和一些校正因子。

系统工程概念

V 模型： 

○ 顶层需求被分解为子系统和组件级别，每个级别都有一个特定的验证计划，从 V 的左侧向下流动并在右侧返回。

上下文图/背景图： 

○ 代表系统与外部环境的交互 

○ 交互系统被定义为“黑盒”

P-图： 

○ 扩展和细化上下文以获得更详细的黑匣子 

○ 包括有关输入信号、控制因素、噪声因素、输出和潜在故障模式的详细信息

MBSE 

○ 建模语言（SysML、UML 等） 

○ 建模方法 

○ 建模工具（Magicdraw、IBM Rational Rhapsody 等）

基于模型的系统工程概念：系统需求

● 需求以技术术语定义客户和利益相关者的需求 

● 在 SysML 中，系统需求陈述被定义为对象 

● 每个对象都包含需求文本和唯一标识符 

● 需求类型定义了需求可以关联的特征 

● 泛化通过继承关系管理和分配需求

● 需求必须通过测试用例进行验证 

● 测试用例是检查点，例如设计评审或物理测试

SysML中的标准类型需求用于在定义系统时提供严格性和清晰性

基于模型的系统工程概念：功能和逻辑架构

● 功能定义必须完成或完成哪些动作/活动才能获得预期结果 

● 操作是块的属性 

● 块是系统任何部分的抽象表示，如物理硬件或信号 

● 功能通过与各个子系统和组件的逻辑关系相互关联  

● 逻辑架构描述了系统将如何实现 

● 逻辑架构抽象地定义了基于系统所需的子系统、组件及其关系的技术解决方案 

● 逻辑架构只能在明确定义系统的功能和需求后创建

● 逻辑架构没有定义任何特定的系统实现，而是定义通用指南，以保持解决方案中立

建模方法：功能分解

● 从 P 图中识别出传动系统的五个基本操作 

● 系统需要 

○ 传递扭矩 

○ 向左/向右直接扭矩 

○ 向前/向后直接扭矩 

○ 倍增扭矩 

○ 断开辅助传动系统 

● 每个功能相关联，或 映射到至少一个逻辑块 

● 然后通过泛化继承功能或操作

● 从动力传动系统到车轮的推进力传输是最基本、最明显的传动系统功能 

● 在抽象的功能层面上，传递的扭矩的程度或数量不一定相关——重要的是所有的传动系统都传递扭矩 

● 在我们的模型中，所有机械子系统和部件都继承了“传递扭矩”功能 

● 重要的是要注意，没有一个部件单独提供或满足传递扭矩功能——它是整个系统的紧急功能 

● 下一个功能是控制左/右扭矩，这是车桥/变速驱动桥差速器逻辑块的操作或行为 

● 下一个功能是控制前后扭矩，这是分动箱的行为，仅存在于 AWD 或 4X4 动力传动系统配置 

● 在动力传动系统模型中，倍增扭矩功能仅是车桥的行为 

● 最后一个功能是断开功能，即行为断开设备

建模方法：逻辑分解

● 定义功能块后构建逻辑块，需要一定的经验和工程判断 

● 良好的逻辑分解应该不受任何特定设计概念的束缚，因为第一个设计概念不太可能是最好的设计概念 

● 传动系统逻辑图提供了捕获车辆输入所需的结构，以支持用于计算传动系统冲击扭矩的参数方程，这是选型的基础

需求和测试用例管理

● 使用MagicDraw 中的导入功能将需求导入到需求包中。

● 使用与导入需求类似的方法导入现有测试方法 

● 验证矩阵已创建，并且每个需求都通过一种或多种测试方法进行验证。

需求管理：满足关系

● 物理元素满足需求 

● 在 MBSE 中，这种关系是在逻辑抽象级别创建的，在设计任何物理部件之前 

● 满足矩阵表示每个需求通过满足关系映射到至少一个逻辑块，该满足关系表示逻辑块需要交付或满足需求 

● 该表显示了传动系统模型中满足需求的所有逻辑元素，并将需求分为七种不同的 SysML 需求类型

参数关系

● 在系统工程中，设计涉及在备选解决方案之间做出决策 

● 一般过程是： 

○ 产生想法 

○ 评估备选方案 - 工程分析 

○ 在备选方案之间做出决定 - 解释结果 

● SysML 提供了一种语言来通过参数图表达和执行数学系统分析 

● 参数图表显示了系统模型块之间的数学关系

● 参数图作为系统设计的约束。

参数关系：选型输入

● 参数输入参数是从行业标准公式中获得的（选型工具）。

● 此处显示了参数输入作为与基于属性的逻辑所有权的逻辑块关联的值属性的映射 

● 冲击扭矩大小输入是与相应逻辑块关联的值属性

● 在逻辑架构级别，将定义这些值属性与任何特定实例无关的变量 

● 可以在需要时创建特定实例

参数关系：约束建模

● 参数约束指定逻辑块之间的等价关系 

● 以类似于 IBD 的方式定义，但它们使用带有约束参数的内部关系而不是part参数 

● 仅限于仅通过绑定连接器进行连接，通常在连接的一端带有参数约束 

● 关键元素是约束块，用于约束一个或多个其他块的属性 

● 约束块由约束表达式{τ = F * d } 和约束参数（如τ、F 和d）组成

参数关系：传动系统sizng

● 目标：展示计算确定扭矩的概念证明 

● 总共八个不同的约束块用于模拟冲击扭矩，包括扭矩流方程、逻辑流和布尔赋值 

● 需要使用特定输入创建实例以完成参数动力传动系统尺寸分析 

● 已为提议的车辆程序完成了冲击扭矩的参数计算，并与从现有分析工具获得的值进行了比较 

● 成功的概念验证需要更多的时间和工作来可靠地替换现有的分析工具

应用 MBSE 的好处

● 面向对象的建模同样适用于全机械系统 

● MBSE 提高了工程生产力和效率 

● 系统模型在所有子系统中更加灵活、一致和可扩展 

● 通过使所有关键输入和输出参数可用于 所有模型用户 

● 更好的可追溯性和需求及其验证方法之间的联系 

● 需求冗余的减少和测试用例验证的自动验证可能导致追溯的消除 

● 通过参数化持续更新和管理组件设计输入的能力与车辆级输入的关系 

● 有权访问模型的每个人不仅可以查看和验证他或她的子系统，还可以查看其子系统与整个系统其他部分的所有交互，最大限度地减少跨功能问题和误传

● 我们强调对现有需求进行仔细分类，并在导入过程中消除了冗余，将 500 多个减少到 ~300 个 

● 通过我们对 SysML 类别的集成努力，我们发现了改进现有需求的提取和划分的明确需求和好处 

● 需求测试用例可以很容易地添加到模型中，并且可以很容易地与整个传动系统链接。

● 基于文档的方法的新需求将需要与其他需求进行大量交叉引用，并且很可能出现冗余和遗漏

应用 MBSE 的好处：参数输入级联和控制

● 通过参数关系，顶层假设的变化立即级联下来，并可以与现有的组件变量属性进行验证 

○ 例如，如果一档发动机扭矩上升，它会立即计算为变速器输出扭矩并与轴最大值进行比较 输入扭矩限制。这些是计算出的 SysML 值用作警报，但还需要存在详细信息以定义过去的系统级别。不要太深太复杂，你会看不到大局。

○ 轮胎特性的变化可以与半轴接头设计限制自动关联和比较 

● 如果输入假设超过设计限制，模型会显示输出错误，提醒工程采取行动

文章来源：系斯模科技