虛擬樣機(jī)技術(shù)是近些年在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

1、虛擬樣機(jī)技術(shù)是近些年在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的 CAX 如 CAD 、 CAE 、 CAM 等技術(shù)和 DFX 如 DFA (Design For Assembly 面向裝配的設(shè)計(jì)、 DFM (Design For Manufacture 面向制造的設(shè)計(jì)等技術(shù) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它進(jìn)一步融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)仿真技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù),將這些技 術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期和全系統(tǒng)并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理, 從系統(tǒng)的層面來(lái)分析復(fù)雜系統(tǒng), 支持由上至下的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式,利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)測(cè)試和評(píng) 估,以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本,改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,提高面向客戶與市場(chǎng)需求 的能力。按照美

2、國(guó)前 MDI 公司總裁 Robert R. Ryan博士(MDI 公司現(xiàn)已被 MSC. Software公司收購(gòu) 對(duì) 虛擬樣機(jī)技術(shù)的界定,虛擬樣機(jī)技術(shù)是面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的、應(yīng)用于基于仿真設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù), 包含有數(shù)字化物理樣機(jī)(Digital Mock-up、功能虛擬樣機(jī)(Functional Virtual Prototyping和 虛擬工廠仿真(Virtual Factory Simulation 三個(gè)方面內(nèi)容。數(shù)字化物理樣機(jī)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的裝配 過(guò)程,用于快速評(píng)估組成產(chǎn)品的全部三維實(shí)體模型裝配件的形態(tài)特性和裝配性能;功能虛擬樣 機(jī)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品分析過(guò)程,用于評(píng)價(jià)已裝配系統(tǒng)整體上的功能和操作性能;虛擬

3、工廠仿真對(duì)應(yīng)于 產(chǎn)品制造過(guò)程,用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品的制造性能。這三者在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM 系統(tǒng)或產(chǎn)品全生命 周期管理(PLM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集成。數(shù)字化物理樣機(jī)(DMU - Digital Mock-up解決方案不同于以 UG 和 CATIA 為代表的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)軟件,不是強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì),而是更重視物理樣機(jī)零部件的形態(tài)特性和系統(tǒng)裝配特性的數(shù) 字化檢視。 DMU 充分利用鑲嵌式的三維零件實(shí)體造型技術(shù),以增強(qiáng)對(duì)大型系統(tǒng)的快速顯示和瀏 覽能力,實(shí)現(xiàn)造型、裝配、瀏覽、運(yùn)動(dòng)包跡、沖突檢測(cè)等功能,并有效支持協(xié)同設(shè)計(jì)、巡航瀏 覽、干涉 /碰撞檢測(cè)等。在與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM 系統(tǒng)集成的情況下, DMU 能提供有

4、效的方 法以保證產(chǎn)品的所有零部件配合良好(fit 特性,并且顯示為所設(shè)計(jì)的形態(tài)(form 特性。國(guó) 外在這方面領(lǐng)導(dǎo)潮流的公司或產(chǎn)品主要有 Tecoplan 、 EDS/VisMock- up、 Clarus 和 Division 等。 功能虛擬樣機(jī)(FVP Functional Virtual Prototyping解決方案充分利用三維零件的實(shí)體模 型和零件有限元模型的模態(tài)表示,在虛擬實(shí)驗(yàn)室或虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)中精確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的操作 性能,如運(yùn)動(dòng) /操縱性、振動(dòng) /噪聲、耐久性 /疲勞、安全性 /沖擊、工效學(xué) /舒適性等等。在這方面 居領(lǐng)先地位的主要公司 /產(chǎn)品有 MSC/ADAMS、 LMS/

5、DADS等。虛擬工廠仿真 (VFS Virtual Factory Simulation 解決方案對(duì)產(chǎn)品完整的制造和裝配過(guò)程進(jìn) 行仿真,以解決產(chǎn)品制造和裝配過(guò)程中的公差、機(jī)器人、裝配、序列等問(wèn)題。在這方面突出的 公司和產(chǎn)品主要有 Tecnomatix/eMPower、 Deneb/QUEST(現(xiàn)為 Delmia 公司產(chǎn)品。數(shù)字化物理樣機(jī)(DMU 、功能虛擬樣機(jī)(FVP 和虛擬工廠仿真(VFS 聯(lián)合起來(lái),提 供了有效的方法實(shí)現(xiàn)從實(shí)體物理樣機(jī)向軟件虛擬樣機(jī)的轉(zhuǎn)化, 從而有效地支持了虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)容如圖 1.3所示。2.虛擬樣機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng) CAX (CAD/CAE/CAM技術(shù)的比較

6、從 20世紀(jì) 70-80年代起,傳統(tǒng)意義上的 CAD/CAE/CAM技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段,它們主要 關(guān)注產(chǎn)品零部件質(zhì)量和性能,通過(guò)采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析和制造過(guò)程控制的軟件或工具,以 達(dá)到設(shè)計(jì)和制造高質(zhì)量零部件的目的。 具體地說(shuō), 傳統(tǒng)的 CAD 技術(shù)基于三維實(shí)體幾何造型技術(shù), 支持產(chǎn)品零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形態(tài)分析。傳統(tǒng)的 CAE 技術(shù)主要指應(yīng)用有限元軟件,完成產(chǎn) 品零部件的結(jié)構(gòu)分析、熱分析、振動(dòng)特性等功能分析問(wèn)題。傳統(tǒng)的 CAM 技術(shù)旨在提高產(chǎn)品零部 件的可制造性,提供對(duì)機(jī)床、機(jī)器人、鑄造過(guò)程、沖壓過(guò)程、鍛造加工等方面更好的控制。 在過(guò)去的幾十年里,傳統(tǒng)的 CAD/CAE/CAM技術(shù)在主要

7、的工業(yè)領(lǐng)域(汽車、航空、通用機(jī) 械、 機(jī)械電子等 得到了廣泛的應(yīng)用, 并且取得了巨大的成效。 以汽車工業(yè)來(lái)說(shuō), 在 1995-1999的五年里,零部件故障率降低了 40%(數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn) 4,下同,與之相伴的,是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和 制造成本的相應(yīng)降低。但是,產(chǎn)品零部件的優(yōu)化并沒(méi)有帶來(lái)期望的系統(tǒng)的優(yōu)化。繼續(xù)上面汽車工業(yè)的例子,在同 樣的周期內(nèi),雖然采用優(yōu)化了的零部件,但整車制造商并沒(méi)有取得與之對(duì)應(yīng)的效益的提升。這 是因?yàn)楫a(chǎn)品零部件的形態(tài)特性、配合性、功能、制造過(guò)程中的裝配性等因素之間存在著依賴關(guān) 系,其間的相互作用極大地影響了產(chǎn)品的整體質(zhì)量和性能。虛擬樣機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng) CAD/CAE/CAM技術(shù)最大的差別

8、正在于這一點(diǎn),即前者是面向系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) /分析 /制造、 以提高產(chǎn)品整體質(zhì)量和性能并降低開(kāi)發(fā)與制造成本為目的的, 而后者 是面向產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì) /分析 /制造、 以提高零部件的的質(zhì)量和性能為目的的。 兩者的對(duì)照和比 較如圖 1.4所示。 虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、日本等都已得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車 制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、 生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等諸多方面。本章開(kāi)篇所述的美國(guó)波音飛機(jī)公司波音 777飛機(jī), 是世界上首架以無(wú)圖方式研發(fā)及制造的飛 機(jī),其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析就是采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)。這不但使研發(fā)

9、周期大大縮短、 研發(fā)成本顯著降低,而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功?；鹦翘綔y(cè)器 “ 探路號(hào) ” 和 Caterpiller 公司 大型設(shè)備虛擬仿真是虛擬樣機(jī)應(yīng)用的另外兩個(gè)典型例子。美國(guó)航空航天局(NASA 的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL 成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器 “ 探路號(hào) ” 在 火星上的軟著陸, 成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。 JPL 工程師利用虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真研究宇宙飛船在不同 階段(進(jìn)入大氣層、減速和著陸的工作過(guò)程。在探測(cè)器發(fā)射以前, JPL 的工程師們運(yùn)用虛擬樣 機(jī)技術(shù)預(yù)測(cè)到由于制動(dòng)火箭與火星風(fēng)的相互作用,探測(cè)器很可能在著陸時(shí)滾翻。工程師們針對(duì) 這個(gè)問(wèn)題修改了技術(shù)方案, 將靈敏的科學(xué)儀器安全送抵火星表面, 保證了火星登陸計(jì)劃的成功。 Caterpillar 公司是世界上最大的拖拉機(jī)、 裝載機(jī)和工程機(jī)械制造商之一。 由于 制造一臺(tái)大型設(shè)備的物理樣機(jī)需要數(shù)月時(shí)間,并耗資數(shù)百萬(wàn)美元,所以,為了提高 競(jìng)爭(zhēng)力, 必須大幅度削減產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、 制造成本。 Caterpillar 公司采用了虛擬樣機(jī) 技術(shù),從根本上改進(jìn)了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟,實(shí)現(xiàn)了快速虛擬試驗(yàn)多種設(shè)計(jì)方案,從而 使其產(chǎn)品成