虛擬樣機技術(shù)是近些年在產(chǎn)品開發(fā)

1、虛擬樣機技術(shù)是近些年在產(chǎn)品開發(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、 DFM (Design For Manufacture 面向制造的設(shè)計等技術(shù) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它進一步融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進仿真技術(shù)和先進制造技術(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)并對它們進行綜合管理, 從系統(tǒng)的層面來分析復(fù)雜系統(tǒng), 支持由上至下的復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)模式,利用虛擬樣機代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計測試和評 估,以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低產(chǎn)品開發(fā)成本,改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量,提高面向客戶與市場需求 的能力。按照美

2、國前 MDI 公司總裁 Robert R. Ryan博士(MDI 公司現(xiàn)已被 MSC. Software公司收購 對 虛擬樣機技術(shù)的界定,虛擬樣機技術(shù)是面向系統(tǒng)級設(shè)計的、應(yīng)用于基于仿真設(shè)計過程的技術(shù), 包含有數(shù)字化物理樣機(Digital Mock-up、功能虛擬樣機(Functional Virtual Prototyping和 虛擬工廠仿真(Virtual Factory Simulation 三個方面內(nèi)容。數(shù)字化物理樣機對應(yīng)于產(chǎn)品的裝配 過程,用于快速評估組成產(chǎn)品的全部三維實體模型裝配件的形態(tài)特性和裝配性能;功能虛擬樣 機對應(yīng)于產(chǎn)品分析過程,用于評價已裝配系統(tǒng)整體上的功能和操作性能;虛擬

3、工廠仿真對應(yīng)于 產(chǎn)品制造過程,用于評價產(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)上實現(xiàn)集成。數(shù)字化物理樣機(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) 計軟件,不是強調(diào)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計,而是更重視物理樣機零部件的形態(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體造型技術(shù),以增強對大型系統(tǒng)的快速顯示和瀏 覽能力,實現(xiàn)造型、裝配、瀏覽、運動包跡、沖突檢測等功能,并有效支持協(xié)同設(shè)計、巡航瀏 覽、干涉 /碰撞檢測等。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)計的形態(tài)(form 特性。國 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(FVP Functional Virtual Prototyping解決方案充分利用三維零件的實體模 型和零件有限元模型的模態(tài)表示,在虛擬實驗室或虛擬試驗場的試驗中精確地預(yù)測產(chǎn)品的操作 性能,如運動 /操縱性、振動 /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 解決方案對產(chǎn)品完整的制造和裝配過程進 行仿真,以解決產(chǎn)品制造和裝配過程中的公差、機器人、裝配、序列等問題。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(DMU 、功能虛擬樣機(FVP 和虛擬工廠仿真(VFS 聯(lián)合起來,提 供了有效的方法實現(xiàn)從實體物理樣機向軟件虛擬樣機的轉(zhuǎn)化, 從而有效地支持了虛擬產(chǎn)品開發(fā)。 虛擬樣機技術(shù)的內(nèi)容如圖 1.3所示。2.虛擬樣機技術(shù)與傳統(tǒng) CAX (CAD/CAE/CAM技術(shù)的比較

6、從 20世紀 70-80年代起,傳統(tǒng)意義上的 CAD/CAE/CAM技術(shù)開始進入實用階段,它們主要 關(guān)注產(chǎn)品零部件質(zhì)量和性能,通過采用結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程分析和制造過程控制的軟件或工具,以 達到設(shè)計和制造高質(zhì)量零部件的目的。 具體地說, 傳統(tǒng)的 CAD 技術(shù)基于三維實體幾何造型技術(shù), 支持產(chǎn)品零部件的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計和形態(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、振動特性等功能分析問題。傳統(tǒng)的 CAM 技術(shù)旨在提高產(chǎn)品零部 件的可制造性,提供對機床、機器人、鑄造過程、沖壓過程、鍛造加工等方面更好的控制。 在過去的幾十年里,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 械、 機械電子等 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)來說, 在 1995-1999的五年里,零部件故障率降低了 40%(數(shù)據(jù)來源于文獻 4,下同,與之相伴的,是產(chǎn)品開發(fā)和 制造成本的相應(yīng)降低。但是,產(chǎn)品零部件的優(yōu)化并沒有帶來期望的系統(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,但整車制造商并沒有取得與之對應(yīng)的效益的提升。這 是因為產(chǎn)品零部件的形態(tài)特性、配合性、功能、制造過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,即前者是面向系 統(tǒng)的設(shè)計 /分析 /制造、 以提高產(chǎn)品整體質(zhì)量和性能并降低開發(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 /分析 /制造、 以提高零部件的的質(zhì)量和性能為目的的。 兩者的對照和比 較如圖 1.4所示。 虛擬樣機技術(shù)在發(fā)達國家,如美國、德國、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)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機械到人機工程學(xué)、 生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等諸多方面。本章開篇所述的美國波音飛機公司波音 777飛機, 是世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛 機,其設(shè)計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術(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器 “ 探路號 ” 和 Caterpiller 公司 大型設(shè)備虛擬仿真是虛擬樣機應(yīng)用的另外兩個典型例子。美國航空航天局(NASA 的噴氣推進實驗室(JPL 成功地實現(xiàn)了火星探測器 “ 探路號 ” 在 火星上的軟著陸, 成為轟動一時的新聞。 JPL 工程師利用虛擬樣機技術(shù)仿真研究宇宙飛船在不同 階段(進入大氣層、減速和著陸的工作過程。在探測器發(fā)射以前, JPL 的工程師們運用虛擬樣 機技術(shù)預(yù)測到由于制動火箭與火星風(fēng)的相互作用,探測器很可能在著陸時滾翻。工程師們針對 這個問題修改了技術(shù)方案, 將靈敏的科學(xué)儀器安全送抵火星表面, 保證了火星登陸計劃的成功。 Caterpillar 公司是世界上最大的拖拉機、 裝載機和工程機械制造商之一。 由于 制造一臺大型設(shè)備的物理樣機需要數(shù)月時間,并耗資數(shù)百萬美元,所以,為了提高 競爭力, 必須大幅度削減產(chǎn)品的設(shè)計、 制造成本。 Caterpillar 公司采用了虛擬樣機 技術(shù),從根本上改進了設(shè)計和試驗步驟,實現(xiàn)了快速虛擬試驗多種設(shè)計方案,從而 使其產(chǎn)品成