数字化设计的发展与虚拟样机技术

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1、数字化设计的发展与虚拟样机技术发表时间：2008-4-8尚建忠梁科山唐力来源：e-works关键字：数字化设计虚拟样机协同仿真信息化应用调查在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本首先简述了数字化设计的特点与发展历程，并指出当前数字化设计的发展处于虚拟样机的应用阶段。在此基础上，文章重点对虚拟样机涉及的三个关键技术，虚拟样机中过程/数据管理技术、协同仿真技术、多学科设计优化技术，进行了详细分析并给出了解决方案。1、引言   产品设计过程是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程。在传统设计模式下，设计信

2、息一般是通过实物来传递的，这种方式效率低，成本高，周期长而且质量差，已经很难满足企业当前生存和发展的需要。为了能在竞争中处于有利位置，企业实现设计数字化势在必行。   与传统设计相比较，数字化设计更易于完成设计意图、修改设计错误、传递设计信息和共享设计数据。其从出现至今，经历三个大的阶段。目前研究、应用的热点之一虚拟样机正是其中之一。2、数字化设计   数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域，通过基于产品描述的数字化平台，建立数字化产品模型并在产品开发过程应用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品

3、开发技术。数字化设计具有以下两个显著优点：   （1）减少设计过程中实物模型的制造。传统设计在产品研制中需经过反复多次的“样机生产-样机测试-修改设计”的过程，这不仅耗费物力、财力，还使得产品研制周期延长。数字化设计则在制造物理样机之前，针对数字化模型进行仿真分析与测试，可排除某些设计不合理性；   （2）易于实现设计的并行化。相对与传统设计过程的串行化，数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。   数字化设计技术的发展

4、历程可以大体上划分为三个阶段。   （1）CAx工具应用阶段。自上个世纪50年代起，各种CAx工具（CAD/CAE/CAM/CAT等）开始出现并逐步得到应用，标志着数字化设计的开始。   （2）并行工程应用阶段。并行工程于20世纪80年代提出，具体体现在PDM（产品数据管理）技术及DFx（如DFM、DFA等）技术在产品设计阶段的应用。并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术的支持下，将原来分别依次进行的工作在时间和空间上交叉、重叠，利用原有技术，吸收了计算机技术、信息技术的成果，成为产品数字化设计的重

5、要手段和先进制造技术的基础。并行工程是利用现代信息技术对传统的产品开发方式的一种改进。典型的并行工作流程如图1所示。   （3）虚拟样机技术应用阶段。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是CAx/DFx建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。    虚拟样机技术在美国、德国、日本等发达国家已

6、得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段的工作过程，成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。   美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析采用了虚拟样机技术，使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，确保了最终产品一次接装成功。 

7、  Caterpillar公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，使其产品成本低，性能更加优越。JohnDeere公司利用虚拟样机技术解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题。   3虚拟样机的关键技术   虚拟样机技术的关键技术主要涉及到数据/过程管理技术、多领域协同建模/仿真/评估技术、多学科设计优化技术等。   3.1数据/过程管理技术   虚拟样机系统特点表现在以下几个方面：（1） 涉及的学科领域多，如机械、电子、软件和控制/动力学

8、等学科领域；（2） 由分布的、不同工具开发的、甚至是异构的子模型组成的模型联合体，如CAD模型、功能和性能仿真模型等；（3） 涉及到产品的全生命周期，从产品的需求分析和定义、概念设计、详细设计、生产制造、测试评估、使用、维护训练，乃至销毁等不同阶段；（4） 应用范围广，虚拟样机可用于工程仿真系统、交战仿真系统、任务仿真系统、体系对抗仿真系统等。   因此，必须对上述的元素进行合理的组织和管理，实现产品整个开发过程中虚拟样机的数据集成和过程集