先進(jìn)制造與工程仿真技術(shù)緒論 -

1先進(jìn)制造與工程仿真技術(shù)2§1.1制造與制造系統(tǒng)概述§1.2先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展 §1.3工程仿真技術(shù)的提出和發(fā)展緒論3教學(xué)要求：掌握先進(jìn)制造技術(shù)的內(nèi)涵、技術(shù)構(gòu)成、體系結(jié)構(gòu)、分類。了解先進(jìn)制造技術(shù)產(chǎn)生的背景與發(fā)展趨勢(shì)。了解先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展背景、相關(guān)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，以及我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域在國(guó)際上的地位與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。了解工程仿真技術(shù)的概念、特點(diǎn)、作用和現(xiàn)狀。4航空航天工業(yè)是戰(zhàn)略性工業(yè)，也是高新技術(shù)最為富集的領(lǐng)域，可以體現(xiàn)出一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的高低。新一代飛機(jī)普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”加工而成的具有復(fù)雜槽腔、筋條、凸臺(tái)和減輕孔等特征的整體結(jié)構(gòu)件，如整體框、梁、蜂窩等零件，如圖1-1、1-2所示。章節(jié)引例圖1-1某飛機(jī)整體隔框類零件圖1-2某飛機(jī)整體蜂窩類零件5與傳統(tǒng)的鉚接和螺栓連接的飛機(jī)組合結(jié)構(gòu)件相比，采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以使飛機(jī)機(jī)體零件數(shù)量大大減少，縮短了零件制造周期；減輕了飛機(jī)裝配工作量；提高了飛機(jī)的裝配協(xié)調(diào)性，減少鉚接零件的同時(shí)減少了鉚接裝配變形；飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)效率成倍提高。例如：某飛機(jī)的鋁-鈦合金整體結(jié)構(gòu)的機(jī)翼與其鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)機(jī)翼相比，結(jié)構(gòu)效率提高了3倍，抗疲勞能力提高了4~6倍，大幅度地提高了機(jī)身壽命和可靠性。61.1制造與制造系統(tǒng)概述1.1.1制造與制造技術(shù)

制造是人類按照所需目的，運(yùn)用主觀掌握的知識(shí)和技能，借助于手工或客觀可以利用的物質(zhì)工具，采用有效的方法，將原材料，轉(zhuǎn)化成最終物質(zhì)產(chǎn)品，并投放市場(chǎng)的全過程。

制造分為狹義的制造和廣義的制造。在產(chǎn)品生產(chǎn)中，使原材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過程所施行的各種手段的總和，稱為制造技術(shù)。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)主要由設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝與裝配技術(shù)和生產(chǎn)組織與管理技術(shù)三個(gè)部分構(gòu)成。71.1.2制造系統(tǒng)制造系統(tǒng)是指制造過程及其所涉及的硬件、軟件和人員組成的一個(gè)將制造資源轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的有機(jī)整體。制造系統(tǒng)涉及產(chǎn)品生命周期，包括市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工過程、裝配、運(yùn)輸、產(chǎn)品銷售、售后服務(wù)及回收處理等的全過程或部分環(huán)節(jié)。制造系統(tǒng)特性包含了結(jié)構(gòu)特性、轉(zhuǎn)變特性和程序特性。圖1-3某汽車制造系統(tǒng)的生產(chǎn)物流示意圖81.1.3制造業(yè)與裝備制造業(yè)制造業(yè)是將制造資源利用制造技術(shù)，通過制造過程，轉(zhuǎn)化為供人們使用或利用的工業(yè)品或生活消費(fèi)品的行業(yè)。裝備制造業(yè)又稱裝備工業(yè)，主要是指資本品制造業(yè)，是為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展和國(guó)家安全需要而制造各種技術(shù)裝備的產(chǎn)業(yè)總稱。按照裝備功能和重要性，裝備制造業(yè)主要包括以下三方面內(nèi)容：一是重大的先進(jìn)的基礎(chǔ)機(jī)械，即制造裝備的裝備—工作“母機(jī)”，主要包括數(shù)控機(jī)床(NC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(DIMS)、工業(yè)機(jī)器人、大規(guī)模集成電路及電子制造設(shè)備等。二是重要的機(jī)械、電子基礎(chǔ)件，主要是先進(jìn)的液壓、氣動(dòng)、軸承、密封、模具、刀具、低壓電器、微電子和電力電子器件、儀器儀表及自動(dòng)化控制系統(tǒng)等等。三是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門（包括農(nóng)業(yè)、能源、交通、原材料、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)保等）科學(xué)技術(shù)、軍工生產(chǎn)所需的重大成套技術(shù)裝備91.2先進(jìn)制造技術(shù)的提出和發(fā)展1.2.1先進(jìn)制造技術(shù)的產(chǎn)生與定義先進(jìn)制造技術(shù)是美國(guó)于20世紀(jì)80年代末期提出的，1993年，美國(guó)政府批準(zhǔn)了由聯(lián)邦科學(xué)、工程與技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì)（FCCSET）主持實(shí)施的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃（AdvancedManufacturingTechnology－AMT），此計(jì)劃是美國(guó)根據(jù)本國(guó)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，為增強(qiáng)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，首先提出的。先進(jìn)制造技術(shù)的定義與內(nèi)涵是在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。制造、檢測(cè)、管理、銷售、使用、服務(wù)的制造全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的制造技術(shù)總稱，也是取得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的制造技術(shù)的總稱。101.2.2先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展概況20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、日本、歐共體、德國(guó)、中國(guó)等都針對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的研發(fā)提出了國(guó)家級(jí)發(fā)展計(jì)劃，旨在提高本國(guó)制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力美國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)的經(jīng)濟(jì)學(xué)家和決策者之間一直在爭(zhēng)論失去制造業(yè)及其就業(yè)機(jī)會(huì)是否事關(guān)重大。一些專家認(rèn)為，隨著收入的增長(zhǎng)、生產(chǎn)率的提高，就業(yè)從農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向制造業(yè)，再?gòu)闹圃鞓I(yè)轉(zhuǎn)向服務(wù)業(yè)，這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然規(guī)律。但美國(guó)必須要挽回其在制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地日本日本是全球最重要的先進(jìn)制造業(yè)出口國(guó)，近幾十年以來(lái)一直堅(jiān)持“產(chǎn)業(yè)立國(guó)”的理念，所采取的策略是：在本土致力于技術(shù)研發(fā)，掌握核心技術(shù)；在海外建立“新”日本生產(chǎn)基地，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。從重視應(yīng)用研究轉(zhuǎn)向加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，以便徹底擺脫“美國(guó)出創(chuàng)新概念，日本出創(chuàng)新產(chǎn)品”的局面。11德國(guó)德國(guó)是世界制造業(yè)的傳統(tǒng)強(qiáng)國(guó)，以良好的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝聞名于世。目前德國(guó)制造業(yè)依然是傳統(tǒng)高端制造業(yè)的代表，世界第四大經(jīng)濟(jì)體，歐洲頭號(hào)經(jīng)濟(jì)體，其工業(yè)制造業(yè)占GDP的29%，成為其經(jīng)濟(jì)的“脊梁”，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)的發(fā)展。德國(guó)的精密機(jī)械、制藥、工程機(jī)械、汽車制造、環(huán)保產(chǎn)業(yè)聞名于世，以質(zhì)量可靠著稱。由于制造業(yè)的發(fā)達(dá)，自2003年開始成為世界頭號(hào)出口大國(guó)，一直到2009年才被新崛起的“世界工廠”中國(guó)推到世界第二的位子。法國(guó)法國(guó)的制造業(yè)主要集中在機(jī)械與運(yùn)輸設(shè)備制造、醫(yī)藥醫(yī)療器械、汽車、基礎(chǔ)化工方面等。法國(guó)工業(yè)部在2010年推出了“法國(guó)制造”的主張，著力奠定法國(guó)在核電、高速列車、航空航天、汽車等制造業(yè)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，法國(guó)總統(tǒng)薩科奇在2011年底視察某一家滑雪器具生產(chǎn)廠時(shí)，親自主持主題為“法國(guó)制造”的圓桌會(huì)議，希望通過先進(jìn)制造業(yè)來(lái)遏制歐債危機(jī)在法國(guó)的蔓延，改善法國(guó)的就業(yè)、內(nèi)需和出口問題。

12英國(guó)在金融和專業(yè)服務(wù)業(yè)以外，英國(guó)最具優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)就是先進(jìn)制造業(yè)。近些年來(lái)，在英國(guó)的先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域里出現(xiàn)了一套新型多功能、擁有一定制造應(yīng)用范圍的平臺(tái)技術(shù)。這些技術(shù)涵蓋塑料電子、硅設(shè)計(jì)、可再生化學(xué)和用以替代各類金屬的碳纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域。韓國(guó)韓國(guó)的先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃源于二十世紀(jì)九十年代，當(dāng)時(shí)韓國(guó)政府提出了國(guó)家高級(jí)先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃(HANP)，由韓國(guó)科技部、工商部、能源部和交通部聯(lián)合實(shí)施。進(jìn)入二十一世紀(jì)，受到金融危機(jī)的影響，韓國(guó)的制造業(yè)進(jìn)入了相對(duì)下降和震蕩階段。韓國(guó)的汽車、半導(dǎo)體、造船、石油化學(xué)、鋼鐵、手機(jī)生產(chǎn)等制造業(yè)世界聞名，尤其在半導(dǎo)體、液晶、芯片等產(chǎn)業(yè)技術(shù)方面幾乎與日本不相上下。我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展中國(guó)目前號(hào)稱世界工廠，但是中國(guó)制造是經(jīng)濟(jì)全球化時(shí)代產(chǎn)業(yè)分工的結(jié)果，與其他制造業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，中國(guó)制造沒有自己的核心技術(shù)，沒有自己的全球銷售網(wǎng)絡(luò)和市場(chǎng)，在全球產(chǎn)業(yè)分工體系中屬于廉價(jià)的代工和加工生產(chǎn)基地。131.2.3先進(jìn)制造技術(shù)的體系、分類與特點(diǎn)

先進(jìn)制造技術(shù)的體系目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，按照機(jī)械科學(xué)研究院(AMST)提出的先進(jìn)制造技術(shù)由多層次技術(shù)群構(gòu)成的體系圖，如圖1-4

圖1-4先進(jìn)制造技術(shù)的多層次體系圖14先進(jìn)制造技術(shù)的分類根據(jù)產(chǎn)品制造過程所依賴的技術(shù)群，先進(jìn)制造技術(shù)可分為四大類。即：先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)制造工藝技術(shù)、制造自動(dòng)化技術(shù)、先進(jìn)制造生產(chǎn)模式。先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)為先進(jìn)性、規(guī)范性、實(shí)用性、集成性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性。先進(jìn)制造技術(shù)是以提高綜合效益為目的，以人為主體，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支柱，綜合應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息、材料與工藝技術(shù)、能源與環(huán)保等高新技術(shù)以及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)，研究并改造制造過程作用于產(chǎn)品整個(gè)壽命周期的所有適用技術(shù)的總稱。而把這些適用技術(shù)所構(gòu)成的制造系統(tǒng)，統(tǒng)稱先進(jìn)制造系統(tǒng)。151.2.4先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)制造技術(shù)專家楊叔子院士曾用12個(gè)字精辟而深刻的字闡釋了先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：一，制造產(chǎn)品：“精”、“極”、“文”，二，制造過程：“綠”、“快”、“省”、“效”三，制造方法，“數(shù)”、“自”、“集”、“網(wǎng)”、“智”。美國(guó)的PhysicsToday在1993年的雜志封面上刊登了一個(gè)圓形的像美麗的皇冠樣的圖形，它由周邊的48個(gè)小圖形組成。從中心到周圍蕩著水波一樣的裝飾。在單晶的表面用48個(gè)鐵原子圍成了一個(gè)14.3nm的圓圈，相鄰兩個(gè)鐵原子間距離僅為1nm，如圖1-5所示。圖1-5先進(jìn)制造技術(shù)的多層次體系圖161.3.1工程仿真技術(shù)的概念工程仿真技術(shù)是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)專業(yè)知識(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對(duì)系統(tǒng)（已有的或設(shè)想的）進(jìn)行工程研究的一門多學(xué)科的綜合性的技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)對(duì)工程系統(tǒng)仿真的過程可以通過三個(gè)基本活動(dòng)來(lái)描述：1.建?；顒?dòng)：通過對(duì)實(shí)際工程的觀測(cè)和檢測(cè)，在忽略次要因素及不可檢測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述，從而獲得實(shí)際工程系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型。2.

仿真模型：對(duì)工程系統(tǒng)的數(shù)字模型（實(shí)際是一種簡(jiǎn)化后的模型）進(jìn)行一定的算法處理，使其成為合適的形式之后以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。3.過程仿真：將實(shí)際工程的狀態(tài)在模型中進(jìn)行模擬。通過仿真技術(shù)可以弄清工程系統(tǒng)的內(nèi)在變量對(duì)被控對(duì)象的影響。171.3.2工程仿真技術(shù)的特點(diǎn)

工程仿真技術(shù)憑借新的加工制造技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的支持，對(duì)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)包括控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完整的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了積極作用，也因此得到了巨大的發(fā)展?，F(xiàn)代的工程仿真技術(shù)具有如下特點(diǎn)1.在工程系統(tǒng)中，仿真技術(shù)是一門通用的支撐性技術(shù)。2.工程仿真技術(shù)的發(fā)展具有相對(duì)的獨(dú)立性，同時(shí)又與光、機(jī)、電、聲，特別是信息等眾多專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展互為促進(jìn)。3.工程仿真技術(shù)的發(fā)展還與應(yīng)用緊密相關(guān)。18超彈密封仿真結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反力靜力分析用于靜力載荷條件可以模擬諸如大變形、大應(yīng)變、接觸、塑性、超彈、蠕變等非線性行為齒輪嚙合19動(dòng)力學(xué)分析包括質(zhì)量和阻尼效應(yīng)模態(tài)分析計(jì)算固有頻率及振型諧響應(yīng)分析確定結(jié)構(gòu)對(duì)已知幅值和頻率的正弦載荷的響應(yīng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間變化載荷的響應(yīng)，可以包括非線性行為其他結(jié)構(gòu)功能譜分析隨機(jī)振動(dòng)特征值屈曲子結(jié)構(gòu)，子模型汽車模態(tài)分析20顯示動(dòng)力學(xué)

ANSYS/LS-DYNA側(cè)重慣性力占主導(dǎo)的大變形模擬用于模擬沖擊、碰撞、快速成型等。車側(cè)撞板料成形仿真結(jié)構(gòu)分析（續(xù)）21雙金屬桿由于加熱產(chǎn)生變形耦合場(chǎng)分析考慮兩種或多于兩種場(chǎng)之間的相互作用。每一種場(chǎng)都依賴于另一種場(chǎng)使得不可能對(duì)每個(gè)場(chǎng)單獨(dú)求解，因此需要一個(gè)能夠?qū)⑽锢韱栴}綜合在一起考慮計(jì)算的程序。例如:熱應(yīng)力分析壓電分析(電及結(jié)構(gòu))聲學(xué)(流體及結(jié)構(gòu))熱－電分析導(dǎo)熱(磁和熱)靜電－結(jié)構(gòu)分析耦合場(chǎng)分析221.3.3工程仿真技術(shù)的作用隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)、電、液、熱、氣、電、磁等驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，以高可靠性、高精度、高反應(yīng)速度和穩(wěn)定性為代表的先進(jìn)特征，將工程系統(tǒng)的執(zhí)行品質(zhì)提高到前所未有的水平。這也使得仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用：1.利用仿真技術(shù)可以提高工程系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量。2.利用仿真技術(shù)可以縮短工程設(shè)計(jì)周期。3.利用仿真技術(shù)可以大大地減少工程造價(jià)，提高生產(chǎn)效率。231.3.4工程仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

工程仿真技術(shù)作為虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的一部分