汽車智能制造技術(shù)課件

汽車智能制造技術(shù)主編：韋光茂溫承欽黃維忠副主編：湯巖峰李嘉鋒李高任溫志力參編：陳志高楊浩韋忠勁陸潤(rùn)明王浩儼蒲嬋英薛華杰李瑞榮主審：莫軍目錄01智能制造的概念與標(biāo)準(zhǔn)體系02認(rèn)識(shí)智能制造技術(shù)03智能制造數(shù)字化基礎(chǔ)04工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用05先進(jìn)制造技術(shù)與應(yīng)用06智能控制技術(shù)基礎(chǔ)07智能制造應(yīng)用01智能制造的概念與標(biāo)準(zhǔn)體系智能制造的概念智能制造的國家標(biāo)準(zhǔn)體系智能制造的本質(zhì)與價(jià)值內(nèi)涵智能制造的概念智能制造智能制造的技術(shù)

智能制造的特征智能制造發(fā)展前景未來智能制造的前景智能制造

智能制造源于對(duì)人工智能的研究。人工智能就是用人工方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的智能。智能制造(IntelligentManufacturing,IM)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng),它在制造過程中能進(jìn)行智能活動(dòng),諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事,去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)。它把制造自動(dòng)化的概念更新,擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。毫無疑問,智能化是制造自動(dòng)化的發(fā)展方向。在制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)幾乎都應(yīng)用人工智能技術(shù)。人工智能技術(shù)可以用于工程設(shè)計(jì)、工藝過程設(shè)計(jì)、故障診斷等,也可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)智能方法應(yīng)用于產(chǎn)品配方、生產(chǎn)調(diào)度等,實(shí)現(xiàn)制造過程智能化。

智能制造的技術(shù)

工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)、傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備,對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理的技術(shù)手段。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的PLC控制到現(xiàn)代的智能化控制的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代的智能化控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和處理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、質(zhì)量監(jiān)控等功能。同時(shí),智能化控制系統(tǒng)還可以與其他信息系統(tǒng)集成,形成完整的數(shù)字化生產(chǎn)體系。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)算法和數(shù)學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而讓機(jī)器具備學(xué)習(xí)和智能化的能力。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化控制、預(yù)測(cè)性維護(hù)、缺陷檢測(cè)和質(zhì)量監(jiān)控等功能。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化決策和優(yōu)化,提高生產(chǎn)效率和降低成本。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指將各種物理設(shè)備和傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來,實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和共享的技術(shù)手段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有重要的作用,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理、生產(chǎn)計(jì)劃管理等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的生產(chǎn)過程。云計(jì)算技術(shù)云計(jì)算技術(shù)是指將各種計(jì)算資源通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來,實(shí)現(xiàn)資源的共享和利用的技術(shù)手段。云計(jì)算技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有重要的作用,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、實(shí)時(shí)計(jì)算和決策等功能。通過云計(jì)算技術(shù),企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同,加速產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新。大數(shù)據(jù)技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)算法和數(shù)學(xué)模型對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而獲得有價(jià)值的信息和知識(shí)的技術(shù)手段。大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量的提升、客戶需求的預(yù)測(cè)和滿足等功能。通過大數(shù)據(jù)技術(shù),企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)智能化決策和優(yōu)化,提高競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)占有率。

智能制造的特征

自律能力智能制造具有搜集與理解環(huán)境信息和自身信息,并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。智能制造系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境和自身作業(yè)狀況并進(jìn)行信息處理,根據(jù)處理結(jié)果自行調(diào)整控制策略,采用最佳運(yùn)行方案,從而使整個(gè)制造系統(tǒng)具備抗干擾、自適應(yīng)和容錯(cuò)糾錯(cuò)等能力。強(qiáng)有力的知識(shí)庫和基于知識(shí)的模型是自律能力的基礎(chǔ)。具有自律能力的設(shè)備稱為“智能機(jī)器”,在一定程度上表現(xiàn)出獨(dú)立性、自主性和個(gè)性,甚至相互間還能運(yùn)作與競(jìng)爭(zhēng)。人機(jī)一體化智能制造不是單純的“人工智能”系統(tǒng),而是一種人機(jī)一體化的智能系統(tǒng),是一種“混合智能”。從人工智能發(fā)展現(xiàn)狀來看,基于人工智能的智能機(jī)器只能進(jìn)行機(jī)械式的推理、預(yù)測(cè)、判斷,它只具有邏輯思維(專家系統(tǒng)),最多做到形象思維(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)),完全做不到靈感(頓悟)思維,只有人類專家才真正同時(shí)具備以上3種思維能力?，F(xiàn)階段想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的腦力勞動(dòng),獨(dú)立承擔(dān)起分析、判斷、決策等任務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的。因此,在智能制造系統(tǒng)中,高素質(zhì)、高智能的人將發(fā)揮更好的作用,機(jī)器智能和人的智能將真正地融合在一起,互相配合,相得益彰。自組織與超柔性智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠根據(jù)工作任務(wù)需要,快速、可靠地組建新系統(tǒng),集結(jié)成一種超柔性最佳結(jié)構(gòu),并按照最優(yōu)方式運(yùn)行。同時(shí),對(duì)于快速變化的市場(chǎng)、生產(chǎn)制造要求有很強(qiáng)的適應(yīng)性,其柔性不僅表現(xiàn)在運(yùn)行方式上,也表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)組成上,這種柔性稱為超柔性,如同一群人類專家組成的群體,具有生物特征。例如,在當(dāng)前任務(wù)完成后,該結(jié)構(gòu)將自行解散,以便在下一任務(wù)中能夠組成新的結(jié)構(gòu)。自學(xué)習(xí)與自維護(hù)智能制造系統(tǒng)能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫,具有自主學(xué)習(xí)功能。同時(shí),在運(yùn)行過程中自行診斷故障,并具備對(duì)故障自行排除、自行維護(hù)的能力。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠進(jìn)行自我優(yōu)化,并適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。智能制造發(fā)展前景(一)智能制造發(fā)展?fàn)顩r近年來,國外智能制造業(yè)發(fā)展發(fā)生了明顯的變化,發(fā)達(dá)國家技術(shù)工人短缺,新興國家勞動(dòng)力成本上漲,同時(shí)制造業(yè)又出現(xiàn)了制造地點(diǎn)分散、生產(chǎn)方式變更、制造技術(shù)日益復(fù)雜化等變化。為此,美國、德國、英國、日本等世界發(fā)達(dá)國家紛紛開始實(shí)施“再工業(yè)化”計(jì)劃,頒布了一系列“智能制造”戰(zhàn)略。經(jīng)過多年發(fā)展,我國制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位,建立起門類齊全、獨(dú)立完整的制造體系,但與先進(jìn)國家相比,我國制造業(yè)大而不強(qiáng)的問題仍然存在。未來智能制造的發(fā)展趨勢(shì)未來,智能制造技術(shù)將與制造業(yè)深度融合。智能制造將造就全新的業(yè)態(tài),由多個(gè)提供單一產(chǎn)品或服務(wù)的供應(yīng)商共同構(gòu)建協(xié)作系統(tǒng),形成融合發(fā)展的生態(tài)圈。發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)趨勢(shì)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)政策趨勢(shì)未來智能制造的前景未來智能制造的發(fā)展將對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,具有廣闊的發(fā)展前景。未來前景經(jīng)濟(jì)前景社會(huì)前景環(huán)境前景未來智能制造的發(fā)展將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。智能制造將為企業(yè)提供更高效、更精確、更環(huán)保、更智能的生產(chǎn)方式和管理方式,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。智能制造還將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同和創(chuàng)新,推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí),促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展。智能制造還將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí),推動(dòng)制造業(yè)向高端化、智能化、綠色化方向發(fā)展,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。未來智能制造的發(fā)展將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生廣泛的影響。智能制造將為社會(huì)提供更加高效、便捷、安全、環(huán)保的產(chǎn)品和服務(wù),滿足人民對(duì)美好生活的需求,提高人民的生活質(zhì)量和幸福感。智能制造也將為社會(huì)創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì),促進(jìn)人力資源的合理流動(dòng)和優(yōu)化配置,提高勞動(dòng)者的技能和素質(zhì)。智能制造還將為社會(huì)帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)會(huì),促進(jìn)社會(huì)的科技進(jìn)步和文化發(fā)展。未來智能制造的發(fā)展將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。智能制造將推動(dòng)生產(chǎn)過程的智能化、數(shù)字化和自動(dòng)化,減少能源消耗和物料浪費(fèi),降低生產(chǎn)過程中的碳排放和環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)資源的有效利用和保護(hù)。智能制造還將促進(jìn)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提高環(huán)保產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量和效益,推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2021版)》智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)是建立在智能制造應(yīng)用體系之上的標(biāo)準(zhǔn)體系,以規(guī)范和促進(jìn)智能制造的發(fā)展和應(yīng)用。其目的是協(xié)助管理和實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)過程。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)包括3個(gè)方面:產(chǎn)品、裝備和工廠。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系是指產(chǎn)品制造中所需的標(biāo)準(zhǔn)體系。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系包括設(shè)計(jì)、材料、工藝、檢驗(yàn)指標(biāo)等方面。通過建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系,有助于確保產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性,同時(shí)也有利于提高產(chǎn)品的制造效率并降低生產(chǎn)成本。

裝備標(biāo)準(zhǔn)體系裝備標(biāo)準(zhǔn)體系是指智能制造裝備設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)體系。裝備標(biāo)準(zhǔn)體系包括裝備的分類、技術(shù)參數(shù)、功能性能、安全性能和運(yùn)行維護(hù)等方面。裝備標(biāo)準(zhǔn)體系的建立有助于提高裝備之間的互操作性,以及整個(gè)生產(chǎn)過程的智能化和自動(dòng)化程度。工廠標(biāo)準(zhǔn)體系工廠標(biāo)準(zhǔn)體系是指智能制造生產(chǎn)廠家的標(biāo)準(zhǔn)體系。工廠標(biāo)準(zhǔn)體系包括工廠規(guī)劃、生產(chǎn)管理、供應(yīng)鏈管理、質(zhì)量控制、信息化解決方案等方面。通過建立工廠標(biāo)準(zhǔn)體系,有助于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)能力。除產(chǎn)品、裝備和工廠3個(gè)方面外,智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)還包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系、信息標(biāo)準(zhǔn)體系、安全標(biāo)準(zhǔn)體系等方面。這些標(biāo)準(zhǔn)體系的建立,不僅有助于推進(jìn)智能制造的發(fā)展,而且也有利于保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。建立全面的標(biāo)準(zhǔn)體系,便于智能制造應(yīng)用在全球范圍內(nèi)的普及和推廣。《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2021版)》智能制造系統(tǒng)架構(gòu)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)從生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能特征等3個(gè)維度對(duì)智能制造所涉及的要素、裝備、活動(dòng)等內(nèi)容進(jìn)行描述,主要用于明確智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象和范圍裝備標(biāo)準(zhǔn)體系。

總體要求①基本原則②建設(shè)目標(biāo)建設(shè)思路智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)包括“A基礎(chǔ)共性”“B關(guān)鍵技術(shù)”“C行業(yè)應(yīng)用”等3個(gè)部分,主要反映標(biāo)準(zhǔn)體系各部分的組成關(guān)系。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架包含了智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系的基本組成單元,同體系結(jié)構(gòu)一樣包括“A基礎(chǔ)共性”“B關(guān)鍵技術(shù)”“C行業(yè)應(yīng)用”等3個(gè)部分。建設(shè)內(nèi)容組織實(shí)施組織設(shè)施包括加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、加快標(biāo)準(zhǔn)研制、加強(qiáng)宣貫培訓(xùn)、實(shí)施動(dòng)態(tài)更新、加強(qiáng)國際合作等5個(gè)部分。智能制造的本質(zhì)與價(jià)值內(nèi)涵智能制造的本質(zhì)智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能制造的核心價(jià)值智能制造的本質(zhì)智能制造的本質(zhì)從本質(zhì)上看,智能制造是智能技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合。從發(fā)展脈絡(luò)上看,傳統(tǒng)制造基于信息通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,而這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展便是智能技術(shù)。傳統(tǒng)的制造技術(shù)在智能技術(shù)的引導(dǎo)下,向更加成熟和高效的方向進(jìn)步,再基于智能制造關(guān)鍵技術(shù)賦能,實(shí)現(xiàn)制造工廠的智能化。智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能設(shè)計(jì)智能設(shè)計(jì)指應(yīng)用智能化的設(shè)計(jì)手段及先進(jìn)的設(shè)計(jì)信息化系統(tǒng)[CAX(插圖)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)知識(shí)庫等],支持企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過程各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化提升和優(yōu)化運(yùn)行。例如,在實(shí)踐中,建模與仿真已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì),新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)大幅度壓縮。智能產(chǎn)品在智能產(chǎn)品領(lǐng)域,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、數(shù)字化技術(shù)嵌入傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì),使產(chǎn)品逐步成為互聯(lián)網(wǎng)化的智能終端,比如將傳感器、存儲(chǔ)器、傳輸器、處理器等設(shè)備裝入產(chǎn)品當(dāng)中,使生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、通信與分析能力,從而使產(chǎn)品具有可追溯、可追蹤、可定位的特性,同時(shí)還能廣泛采集消費(fèi)者個(gè)體對(duì)創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化需求,令智能產(chǎn)品更加具有市場(chǎng)活力。智能裝備智能制造模式下的工業(yè)生產(chǎn)裝備需要與信息技術(shù)和人工智能等技術(shù)進(jìn)行集成與融合,從而使傳統(tǒng)生產(chǎn)裝備具有感知、學(xué)習(xí)、分析與執(zhí)行能力。生產(chǎn)企業(yè)在裝備智能化轉(zhuǎn)型過程中可以從單機(jī)智能化或者單機(jī)裝備互聯(lián)形成智能生產(chǎn)線或智能車間兩方面著手。智能生產(chǎn)在產(chǎn)品短缺的時(shí)代,產(chǎn)品的價(jià)值與價(jià)格主要由生產(chǎn)廠商主導(dǎo),廠家生產(chǎn)什么,消費(fèi)者就只能購買什么,生產(chǎn)的主動(dòng)權(quán)主要由廠家掌控。而在智能制造時(shí)代,產(chǎn)品的生產(chǎn)方式不再是生產(chǎn)驅(qū)動(dòng),而是用戶驅(qū)動(dòng),即生產(chǎn)智能化可以完全滿足消費(fèi)者的個(gè)性化定制需求,產(chǎn)品價(jià)值與定價(jià)不再是企業(yè)一家獨(dú)大,而是由消費(fèi)者需求決定。在實(shí)踐中,生產(chǎn)企業(yè)可以將智能化的軟硬件技術(shù)、控制系統(tǒng)及信息化系統(tǒng)(分布式控制系統(tǒng)、分布式數(shù)控系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)等)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中,按照市場(chǎng)和客戶的需求優(yōu)化運(yùn)行生產(chǎn)過程,這是智能制造的核心。智能管理隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)及智能裝備的成熟,管理智能化也成為可能。在整個(gè)智能制造系統(tǒng)中,企業(yè)管理者使用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)的橫向集成,再利用移動(dòng)通信技術(shù)與智能裝備實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能生產(chǎn)價(jià)值鏈的數(shù)字化集成,從而形成完整的智能管理系統(tǒng)。此外,生產(chǎn)企業(yè)使用大數(shù)據(jù)或者云計(jì)算等技術(shù)可以提高企業(yè)搜集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性,使智能管理更加高效與科學(xué)。企業(yè)智能管理領(lǐng)域不僅包括產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)管理、生產(chǎn)管理、庫存/采購/銷售管理等制造核心環(huán)節(jié),還包含服務(wù)管理、財(cái)務(wù)/人力資源管理、知識(shí)管理、產(chǎn)品全生命周期管理等。智能服務(wù)智能服務(wù)作為智能制造系統(tǒng)的末端組成部分,起著連接消費(fèi)者與生產(chǎn)企業(yè)的作用,服務(wù)智能化最終體現(xiàn)在線上與線下的融合“O2O服務(wù)”,即一方面生產(chǎn)企業(yè)通過智能化生產(chǎn)不斷拓展其業(yè)務(wù)范圍與市場(chǎng)影響力,另一方面生產(chǎn)企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)將消費(fèi)者連接到企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中,通過消費(fèi)者的不斷反饋提升產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量、提高客戶體驗(yàn)度。具體來說,制造服務(wù)包含產(chǎn)品服務(wù)和生產(chǎn)性服務(wù),前者指對(duì)產(chǎn)品售前、售中及售后的安裝調(diào)試、維護(hù)、維修、回收、再制造、客戶關(guān)系的服務(wù),強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品與服務(wù)相融合;后者指與企業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)服務(wù)、信息服務(wù)、物流服務(wù)、管理咨詢、商務(wù)服務(wù)、金融保險(xiǎn)服務(wù)、人力資源與人才培訓(xùn)服務(wù)等,為企業(yè)非核心業(yè)務(wù)提供外包服務(wù)。智能服務(wù)強(qiáng)調(diào)知識(shí)性、系統(tǒng)性和集成性,強(qiáng)調(diào)以人為本的精神,為客戶提供主動(dòng)、在線、全球化服務(wù),它采用智能技術(shù)提高服務(wù)狀態(tài)/環(huán)境感知、服務(wù)規(guī)劃/決策/控制水平,提升服務(wù)質(zhì)量,擴(kuò)展服務(wù)內(nèi)容,促進(jìn)現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)這一新業(yè)態(tài)不斷發(fā)展和壯大。智能制造的核心價(jià)值智能制造的應(yīng)用模式國內(nèi)學(xué)者總結(jié)出了智能制造的4種應(yīng)用模式?；诂F(xiàn)場(chǎng)連接的智能化生產(chǎn)模式。這種模式主要應(yīng)用于石化、鋼鐵、電子信息、家電、航空航天、汽車等行業(yè)中。例如,尼桑公司在汽車生產(chǎn)中采集控制器參數(shù),分析比較機(jī)械臂運(yùn)行異常狀態(tài),可以提前三周預(yù)測(cè)潛在故障問題。基于產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)化延伸模式。這種模式主要應(yīng)用于工程機(jī)械、電力設(shè)備、供水設(shè)備、家電等行業(yè)中。例如,通用公司可以基于Predix平臺(tái)監(jiān)控飛機(jī)燃油消耗狀態(tài),并進(jìn)行分析以優(yōu)化飛行管理,幫助亞航公司1年節(jié)省約2000萬美元燃油費(fèi)用?；谄髽I(yè)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式。這種模式主要應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、家電等行業(yè)中。例如,寶鋼集團(tuán)與一汽大眾公司就新車型開發(fā)進(jìn)行縱向協(xié)同設(shè)計(jì),預(yù)先對(duì)40多個(gè)零件進(jìn)行選材和優(yōu)化,使部分新零件屈服強(qiáng)度提升50%?；谛枨缶珳?zhǔn)對(duì)接的個(gè)性化定制模式。這種模式主要應(yīng)用于家電、服裝、家具等行業(yè)中。例如,紅領(lǐng)公司根據(jù)消費(fèi)者個(gè)性化需求進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和信息交換,實(shí)現(xiàn)以多品種、小批量、快翻新為特征的C2B式定制生產(chǎn)。02認(rèn)識(shí)智能制造技術(shù)智能設(shè)計(jì)和智能裝備智能加工與智能服務(wù)智能制造面臨的挑戰(zhàn)智能設(shè)計(jì)和智能裝備

智能裝備在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用新能源汽車數(shù)字化及智能化工廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行智能制造的應(yīng)用模式智能研發(fā)裝備智能研發(fā)裝備主要應(yīng)用在研發(fā)設(shè)計(jì)階段的先進(jìn)技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。先進(jìn)技術(shù)開發(fā)方面主要是提供系統(tǒng)開發(fā)仿真裝備、試驗(yàn)驗(yàn)證裝備等。概念設(shè)計(jì)主要服務(wù)內(nèi)容是模型制作及模型數(shù)據(jù)的采集裝備。工程設(shè)計(jì)階段主要用于軟硬件開發(fā)的在環(huán)仿真裝備。試驗(yàn)驗(yàn)證方面是智能研發(fā)裝備應(yīng)用最多領(lǐng)域,覆蓋整車系統(tǒng)和零部件的各方面內(nèi)容。自動(dòng)化成套生產(chǎn)線自動(dòng)化成套生產(chǎn)線在汽車產(chǎn)業(yè)已廣泛應(yīng)用,從零部件到整車制造均有所應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)工藝劃分,自動(dòng)化成套生產(chǎn)線主要包括自動(dòng)化機(jī)加生產(chǎn)線、自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線、自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線、自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線等,典型如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體/缸蓋機(jī)加生產(chǎn)線、車身覆蓋件/結(jié)構(gòu)件沖壓生產(chǎn)線、白車身焊接生產(chǎn)線、動(dòng)力總成自動(dòng)化裝配線等。部分特殊生產(chǎn)工藝如鑄造件、注塑件、發(fā)泡件等也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。工業(yè)機(jī)器人在汽車制造過程中,集成了移動(dòng)機(jī)器人、堆垛機(jī)器人、裝配機(jī)器人、焊裝機(jī)器人、檢測(cè)機(jī)器人等,實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)搬運(yùn)、柔性物料傳送、零部件自動(dòng)清洗、白車身焊接、自動(dòng)化裝配等一系列作業(yè)任務(wù)。精密數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床在整車生產(chǎn)和零部件加工中均有應(yīng)用,整車生產(chǎn)主要是沖壓工藝的壓力機(jī);零部件生產(chǎn)主要是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)中的各類零部件加工,這也是數(shù)控機(jī)床在汽車產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)出現(xiàn)了明顯的供需矛盾,主要體現(xiàn)在普通數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)能過剩和精密數(shù)控機(jī)床的供應(yīng)不足,導(dǎo)致供給側(cè)結(jié)構(gòu)性失衡。新能源汽車數(shù)字化及智能化工廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)字層設(shè)計(jì)與運(yùn)行針對(duì)新能源汽車的數(shù)字化設(shè)計(jì)涵蓋A面設(shè)計(jì)、外觀CAS面設(shè)計(jì)、CAE工程、工程數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、SE工程等,其中多數(shù)屬于并行工程(CE)范疇,它穿插于所有設(shè)計(jì)與測(cè)試,不受組織架構(gòu)與地點(diǎn)等影響而同步開展,同時(shí)運(yùn)用不同模擬軟件技術(shù)模擬各種條件,基于全生命周期管理數(shù)據(jù),整合公司所有資源,打造從企業(yè)內(nèi)部—供應(yīng)商—客戶一體化數(shù)據(jù)集成,保持產(chǎn)品靈活性的同時(shí),提升生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)快速上市。平臺(tái)層模型設(shè)計(jì)與運(yùn)行以“鋁合金車身熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)過程質(zhì)控”為例,介紹數(shù)字化焊接加工過程的處理方式。物理層設(shè)計(jì)與運(yùn)行全數(shù)字化頂層設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)對(duì)全數(shù)字化設(shè)備、運(yùn)行管理生產(chǎn)線、供應(yīng)鏈管理、能源管理、驗(yàn)證測(cè)試、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等一系列數(shù)字化建立橫向合作體系與縱向一體化管理,形成端到端并行制造。智能加工與智能服務(wù)

先進(jìn)制造模式的概念與演化先進(jìn)制造模式的類型先進(jìn)制造模式的戰(zhàn)略目標(biāo)

先進(jìn)制造模式的管理先進(jìn)制造模式的概念與演化先進(jìn)制造模式的含義:先進(jìn)制造模式(AdvancedManufacturingMode,AMM)是指運(yùn)用先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)行制造的模式。回顧歷史,人類制造模式的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)主要階段:①手工與單件生產(chǎn)模式。②大批量生產(chǎn)模式。③柔性自動(dòng)化生產(chǎn)模式。④高效、敏捷與集成經(jīng)營生產(chǎn)模式。先進(jìn)制造模式的類型制造模式具有鮮明的時(shí)代性。在傳統(tǒng)制造技術(shù)逐漸向現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展、滲透、交匯和演變,形成先進(jìn)制造技術(shù)的同時(shí),出現(xiàn)了一系列先進(jìn)制造模式。柔性生產(chǎn)模式。計(jì)算機(jī)集成制造模式。智能制造模式。精益生產(chǎn)模式。敏捷制造模式。虛擬制造模式。極端制造模式。綠色制造模式。先進(jìn)制造模式的戰(zhàn)略目標(biāo)以獲取生產(chǎn)有效性為首要目標(biāo)。先進(jìn)制造模式的共同目標(biāo)是快速響應(yīng)不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)變化,以滿足企業(yè)的生產(chǎn)有效性。以制造資源快速有效集成為基本原則。先進(jìn)制造模式的共同方法是在更大的空間范圍內(nèi)與更深的層次上,快速有效地集成資源,通過增強(qiáng)制造系統(tǒng)的一致性和靈活性來提高企業(yè)的應(yīng)變能力。先進(jìn)制造模式的經(jīng)濟(jì)性在于制造資源快速有效地集成。以人、組織、技術(shù)相互結(jié)合為實(shí)施途徑。先進(jìn)制造模式的共同思想是以人為中心,以人、組織、技術(shù)相互結(jié)合為實(shí)施途徑,保證生產(chǎn)的有效性。人、組織和技術(shù)是制造的三大必備資源。人是制造活動(dòng)的主體,組織是反映制造活動(dòng)中人與人的相互關(guān)系,技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)制造的基本手段。先進(jìn)制造模式的管理先進(jìn)制造模式針對(duì)的現(xiàn)實(shí)是未來企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng),除對(duì)比資源和技術(shù)關(guān)鍵性外,還對(duì)比組織的創(chuàng)新優(yōu)化。制造系統(tǒng)的組織優(yōu)化包括空間組織優(yōu)化和時(shí)間組織優(yōu)化。空間組織優(yōu)化側(cè)重于制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,包括邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化。時(shí)間組織優(yōu)化主要針對(duì)信息與物流結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代企業(yè)組織結(jié)構(gòu)的特性主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面:靈活性、分散性、動(dòng)態(tài)性、并行性、獨(dú)立性和簡(jiǎn)單性。智能制造面臨的挑戰(zhàn)我國智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國智能制造技術(shù)發(fā)展存在的問題我國智能制造技術(shù)的發(fā)展建議智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析我國智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國的智能制造技術(shù)相比較于發(fā)達(dá)國家,起步較晚且相應(yīng)的發(fā)展政策也有待完善。但隨著競(jìng)爭(zhēng)的逐漸激烈,智能制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),我國對(duì)智能制造技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也越來越重視。智能制造技術(shù)作為未來制造業(yè)發(fā)展核心技術(shù),將對(duì)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。雖然存在著一系列的問題,但是在重大技術(shù)發(fā)展上卻有較大的突破,如機(jī)器人技術(shù)、智能信息處理技術(shù)及感知技術(shù)等,這些方面的研究及發(fā)展,已經(jīng)取得較好的成績(jī)。智能制造技術(shù)的主要發(fā)展方向則是增強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)的自主創(chuàng)新能力。在一些沿海地區(qū),尤其是廣東、上海、浙江等發(fā)展較快的地區(qū)中已經(jīng)建立了完善的智能制造管理系統(tǒng),一些大型企業(yè)已經(jīng)在積極進(jìn)行智能化升級(jí)改造。例如,海爾集團(tuán)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化的建立,并與國內(nèi)外高校合作,不斷引進(jìn)智能制造技術(shù)方面的人才,對(duì)智能制造展開研究。整體來講,我國智能制造技術(shù)的發(fā)展正不斷完善工業(yè)智能化,從生產(chǎn)到制造的每一環(huán)節(jié)都體現(xiàn)出智能的重要性。我國智能制造技術(shù)發(fā)展存在的問題缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)從目前我國智能制造水平來講,缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),尤其是相關(guān)法律規(guī)則的制定在很大程度上存在著缺陷,這是制約我國智能制造技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。在未來發(fā)展過程中,我國必須加強(qiáng)對(duì)這方面的重視程度,通過建立完善的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范智能制造技術(shù)的發(fā)展方向,在多方面資源不夠充足的情況下,合理利用資源,并對(duì)其技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新,加強(qiáng)制造過程中的集成化作業(yè)方式,從而降低因系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)問題而出現(xiàn)的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。智能制造企業(yè)面臨著較大的升級(jí)成本壓力企業(yè)作為制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的主體,在進(jìn)行智能化改造的過程中必然會(huì)遇到多種問題,從技術(shù)引進(jìn)本身到人才儲(chǔ)備等多方面都面臨著極大的壓力。企業(yè)一方面要確保最低成本的增加,另一方面還要加強(qiáng)智能制造技術(shù)的升級(jí)改造,從這個(gè)意義上來講,企業(yè)面臨的壓力是巨大的。有些企業(yè)由于難以做出科學(xué)的判斷,從而出現(xiàn)決策上的錯(cuò)誤,導(dǎo)致企業(yè)運(yùn)營受到嚴(yán)重影響,所以有些企業(yè)為了生存,放棄了智能制造技術(shù)的升級(jí)改造。智能化制造行業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力自主創(chuàng)新能力對(duì)于任何一個(gè)企業(yè)而言意義都是重要的,企業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造,不僅需要儲(chǔ)備人才,還需要具有自主創(chuàng)新能力。我國在自主創(chuàng)新能力方面與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定的差距,多項(xiàng)制造智能技術(shù)都是由國外引進(jìn)的,智能化產(chǎn)品缺乏自主創(chuàng)新的能力也就是缺乏其核心競(jìng)爭(zhēng)力。與智能制造行業(yè)相關(guān)的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展較差現(xiàn)代服務(wù)行業(yè)的發(fā)展可以說是智能制造行業(yè)發(fā)展的重要因素之一。然而一些關(guān)鍵的現(xiàn)代服務(wù)行業(yè)的發(fā)展規(guī)模或是技術(shù)水平難以滿足智能制造技術(shù)的發(fā)展需要。無論是傳統(tǒng)企業(yè)的升級(jí)改造,還是創(chuàng)新型服務(wù)模式都不能更好地為智能制造行業(yè)服務(wù),這也是導(dǎo)致影響智能制造技術(shù)發(fā)展緩慢的因素之一。我國智能制造技術(shù)的發(fā)展建議進(jìn)行頂層標(biāo)準(zhǔn)制定和重點(diǎn)行業(yè)推廣頂層標(biāo)準(zhǔn)的制定和重點(diǎn)行業(yè)推廣在未來智能制造技術(shù)的創(chuàng)新過程中,首先必須引起相關(guān)部門及國家的高度重視。對(duì)智能制造技術(shù)建立完善的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)來指導(dǎo)企業(yè)能更好地進(jìn)行智能制造的升級(jí)改造。利用科學(xué)的方法制定一套完整型、通用型智能制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)關(guān)鍵技術(shù),要與發(fā)達(dá)國家接軌,實(shí)現(xiàn)國際化的標(biāo)準(zhǔn)。只有這樣,才能更好地推動(dòng)我國智能制造技術(shù)的發(fā)展。確立智能制造體系智能制造體系對(duì)于智能制造行業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的,智能制造體系是智能制造技術(shù)發(fā)展的根基。在建立智能制造體系的過程中,政府應(yīng)鼓勵(lì)各行業(yè)之間協(xié)同發(fā)展,積極支持跨部門、跨行業(yè)的合作,使企業(yè)和政府共同進(jìn)行智能制造的共性標(biāo)準(zhǔn)及重點(diǎn)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。產(chǎn)業(yè)聚集平臺(tái)、公共服務(wù)平臺(tái)和投入融資平臺(tái)的建立能夠促進(jìn)我國智能制造行業(yè)的發(fā)展。通過建立產(chǎn)業(yè)聚集平臺(tái),能夠起到促進(jìn)行業(yè)間信息共享和技術(shù)服務(wù)的作用,從而為企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型創(chuàng)造良好的環(huán)境。公共服務(wù)平臺(tái)的建立需要政府、社會(huì)和社會(huì)組織等各方面的公共合作,通過創(chuàng)建一個(gè)這樣的服務(wù)組織,為企業(yè)發(fā)展所需的技術(shù)和資源的共享提供便利,實(shí)現(xiàn)各類資源的充分整合,為企業(yè)的發(fā)展提供支持。投入融資平臺(tái)的建立主要是為了給企業(yè)提供資金支持,而企業(yè)的智能制造升級(jí)最大的障礙正是前期的巨大投入,通過建立投入融資平臺(tái)能夠給企業(yè)提供資金支持,規(guī)避企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)金融行業(yè)和制造行業(yè)的共同發(fā)展。建立完善的體制通過建立完善的體制來保證智能制造行業(yè)的發(fā)展,在充分認(rèn)識(shí)智能制造技術(shù)的重要性,以及清醒地認(rèn)識(shí)自身具有的不足的基礎(chǔ)之上,基于智能制造的頂層設(shè)計(jì)來建立健全體制,保障智能制造行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析市場(chǎng)的需求和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步在不斷地推動(dòng)智能制造技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前制造的生產(chǎn)規(guī)模正朝著多品種、變批量、柔性的方向發(fā)展;隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,制造行業(yè)的資源配置正不斷發(fā)生變化,同時(shí)向信息密集方向發(fā)展。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展,制造行業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)都將逐步地向智能化方向發(fā)展。“智能工廠”和“云制造”將是未來智能制造技術(shù)的發(fā)展方向,在未來,智能工廠由物理系統(tǒng)(實(shí)際的)和信息系統(tǒng)(虛擬的)兩部分構(gòu)成,其中前者是實(shí)質(zhì)的生產(chǎn)系統(tǒng),后者則是物質(zhì)系統(tǒng)虛擬的“靈魂”,而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是二者之間的橋梁和傳輸通道。從國家層面出發(fā),我國可以制訂一系列智能發(fā)展計(jì)劃和專項(xiàng)智能技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略,開發(fā)一些與國家行動(dòng)計(jì)劃相關(guān)的智能制造技術(shù),這樣就可以將智能技術(shù)與經(jīng)濟(jì)緊密地聯(lián)系在一起,從觀念引導(dǎo)到智能技術(shù)的引進(jìn),再到數(shù)字化開放和專項(xiàng)技術(shù)的開展都將減少很多我國智能制造技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)彎道超車的阻礙,真正意義上開展全民智能制造行業(yè)。從核心技術(shù)層面出發(fā),智能制造技術(shù)是需要人的主觀能動(dòng)性來加強(qiáng)核心技術(shù)的創(chuàng)新與新數(shù)據(jù)的信息資源整合,所以這就需要相關(guān)技術(shù)人員必須加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí),定期去國外進(jìn)行深造學(xué)習(xí),進(jìn)而帶動(dòng)智能制造領(lǐng)域的發(fā)展。從人才引進(jìn)層面出發(fā),21世紀(jì)是人才的競(jìng)爭(zhēng),綜合實(shí)力的增強(qiáng)及創(chuàng)新都表明必須重視人才的力量,加大對(duì)人才的重視程度和教育力度,不斷加強(qiáng)對(duì)人才的培養(yǎng)。通過引進(jìn)和相互交流的方式來增強(qiáng)我國與其他國家彼此之間的學(xué)習(xí)。針對(duì)國外智能制造專業(yè)的人才要進(jìn)行科學(xué)的引進(jìn),通過建立實(shí)驗(yàn)室和組建科研團(tuán)隊(duì)等方式,來加強(qiáng)人才的引進(jìn)。03智能制造數(shù)字化基礎(chǔ)概述數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真有限元分析基礎(chǔ)數(shù)字化工藝概述數(shù)字化工廠的發(fā)展與實(shí)現(xiàn)智能化工廠的概念與特征數(shù)字化工廠的發(fā)展與實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的概念數(shù)據(jù)是人們利用規(guī)定的符號(hào)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的事物及其活動(dòng)所做的抽象描述和記錄,將數(shù)據(jù)以有意義的形式加以排列和處理,就形成了信息。記錄數(shù)據(jù)最常用的是數(shù)字,如在數(shù)學(xué)語言中通用的是阿拉伯?dāng)?shù)字,二進(jìn)制的“0”和“1”是計(jì)算機(jī)處理語言的基礎(chǔ)。數(shù)字化是將各種形式的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)據(jù),再以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型,把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼,引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部,進(jìn)行統(tǒng)一處理和應(yīng)用。數(shù)字化工廠的發(fā)展隨著以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè),逐步產(chǎn)生了數(shù)字化工廠的概念。數(shù)字化工廠是將真實(shí)有形的工廠映射到虛擬的網(wǎng)絡(luò)中,形成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工廠相對(duì)應(yīng)的,其功能可以局部或全部模擬工廠行為的系統(tǒng),可以反映或預(yù)測(cè)工廠真實(shí)的結(jié)果。數(shù)字化工廠最初側(cè)重于企業(yè)內(nèi)部微觀過程數(shù)字化,主要是對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程機(jī)理知識(shí)的獲取,以及進(jìn)行生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制,即通過虛擬制造技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程仿真,提前解決實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。隨著技術(shù)的進(jìn)步與功能的擴(kuò)展,形成廣義的數(shù)字化工廠,即利用集成的信息技術(shù)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營和管理的數(shù)字化。數(shù)字化工廠最初起源于數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì),其代表技術(shù)是CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì))和PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理),目的是解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”。通過對(duì)生產(chǎn)過程的模擬,使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗(yàn),縮短從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時(shí)間,優(yōu)化生產(chǎn)線配置和布局,減少生產(chǎn)線準(zhǔn)備和停機(jī)時(shí)間,提高產(chǎn)品質(zhì)量。在廣義的數(shù)字化工廠中,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化,上至宏觀戰(zhàn)略決策、下到具體業(yè)務(wù)操作都采用數(shù)字化管理方法和手段。數(shù)字化工廠的應(yīng)用數(shù)字化工廠是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合應(yīng)用系統(tǒng),通過連續(xù)的數(shù)據(jù)集成,對(duì)真實(shí)工廠進(jìn)行虛擬的仿真,進(jìn)行數(shù)字化綜合集成應(yīng)用。數(shù)字化工廠概念和產(chǎn)品出現(xiàn)后,許多制造企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用,取得了不少的成功案例。波音公司采用數(shù)字化工廠技術(shù)縮短飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造時(shí)間,減少產(chǎn)品缺陷,大幅度降低成本。歐洲空中客車公司在A380飛機(jī)研制過程中,應(yīng)用數(shù)字化技術(shù),建立了基于PLM(產(chǎn)品生命周期管理)的全球設(shè)計(jì)制造管理信息平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了分散在30個(gè)國家的1500家零部件生產(chǎn)商和供應(yīng)商之間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同,讓所有合作商在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺(tái)下協(xié)同地開展數(shù)字化方式的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試飛機(jī)零部件和飛機(jī)裝配過程?？导鸭瘓F(tuán)通過數(shù)字化工廠,減少了90%的手工操作錯(cuò)誤,節(jié)約了30%左右的產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用。在國內(nèi)外一些領(lǐng)先的煉油企業(yè),全面集成各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),動(dòng)態(tài)預(yù)警,精細(xì)化生產(chǎn)運(yùn)行管理和操作執(zhí)行。如美國瓦萊羅能源公司通過數(shù)字化工廠平臺(tái),實(shí)時(shí)監(jiān)控20000個(gè)數(shù)據(jù)流的情況,對(duì)所有信息進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總,并可實(shí)時(shí)報(bào)警顯示,通過電子儀表盤可以知道每桶油的能耗是否超過了計(jì)劃用量,工廠每年可以節(jié)約1.2億美元到2億美元的成本。智能化工廠的概念與特征智能化工廠的概念數(shù)字化是信息化的基本階段,智能化就是信息化的高級(jí)階段。智能化的概念在之前已經(jīng)提出,我們所熟知的機(jī)器人就是智能化產(chǎn)品的代表。智能化是指使對(duì)象具備靈敏準(zhǔn)確的感知功能、正確的思維與判斷功能及行之有效的執(zhí)行功能而進(jìn)行工作。如今智能化的概念逐漸滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面,出現(xiàn)了智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能工廠等。智能化在企業(yè)的應(yīng)用形式是建立智能化系統(tǒng),利用現(xiàn)代通信技術(shù)、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)等匯集而成的針對(duì)某一個(gè)方面應(yīng)用的智能集合。智能工廠是通過智能裝備和模型驅(qū)動(dòng)而構(gòu)造的智能制造模式,是智能系統(tǒng)與其他學(xué)科互相交織在工廠的綜合應(yīng)用,包括智能控制、智能測(cè)量與診斷、智能設(shè)計(jì)、智能加工、智能調(diào)度等方面。先進(jìn)控制系統(tǒng)是一種基于模型,以系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計(jì)等為基礎(chǔ)的一種智能控制系統(tǒng),可以改善生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)控制的性能,減少生產(chǎn)過程變量的波動(dòng)幅度,保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高目標(biāo)產(chǎn)品生產(chǎn)率。中石化燕山石化公司歷時(shí)五年建成的乙烯APC系統(tǒng)是中國石化第一套乙烯全流程先進(jìn)過程控制系統(tǒng),該系統(tǒng)自動(dòng)將裝置總處理量實(shí)時(shí)推向最大化,每年可提高產(chǎn)量2%左右。智能化工廠的主要特征智能化工廠是采用智能技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)模式,以智能系統(tǒng)為載體和平臺(tái),代替人的部分活動(dòng)。智能化強(qiáng)調(diào)整體自組織能力與個(gè)體的自主性,系統(tǒng)的建模需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),系統(tǒng)的仿真需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持,系統(tǒng)要具備一定的容錯(cuò)能力,并具有學(xué)習(xí)能力。通過與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)結(jié)合,不斷擴(kuò)展智能化工廠的功能。智能化工廠的主要特征智能化工廠是采用智能技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)模式,以智能系統(tǒng)為載體和平臺(tái),代替人的部分活動(dòng)。智能化強(qiáng)調(diào)整體自組織能力與個(gè)體的自主性,系統(tǒng)的建模需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),系統(tǒng)的仿真需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持,系統(tǒng)要具備一定的容錯(cuò)能力,并具有學(xué)習(xí)能力。通過與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)結(jié)合,不斷擴(kuò)展智能化工廠的功能。數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真基本概念幾何建模特征建模技術(shù)基本概念建模技術(shù)建模技術(shù)是CAD/CAM系統(tǒng)的核心技術(shù),也是計(jì)算機(jī)能夠輔助人類從事設(shè)計(jì)、制造活動(dòng)的根本原因。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中,技術(shù)人員是通過工程圖樣來表達(dá)和傳遞設(shè)計(jì)思想及工程信息的。在使用計(jì)算機(jī)后,這些設(shè)計(jì)思想和工程信息是以具有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi),并經(jīng)過適當(dāng)轉(zhuǎn)換可提供給生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié),從而構(gòu)成統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。模型一般由數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、算法3部分組成。因此，CAD/CAM建模技術(shù)就是研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的建模方法、過程及采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界中的物體,從人們的想象出發(fā),到完成計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示的這一過程稱之為建模。建模的方法及其發(fā)展由于對(duì)客觀事物的描述方法、存儲(chǔ)內(nèi)容、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同而有不同的建模和不同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。目前主要的建模方法有幾何建模和特征建模兩種;主要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型有二維模型、三維線框模型、曲面模型、實(shí)體模型、特征模型、集成產(chǎn)品模型及最新的生物模型等。幾何建模幾何建模的定義就機(jī)械產(chǎn)品的CAD/CAM系統(tǒng)而言,最終產(chǎn)品的描述信息包括形狀信息、物理信息、功能信息及工藝信息等,其中形狀信息是最基本的。自20世紀(jì)70年代以來,首先對(duì)產(chǎn)品形狀信息的處理進(jìn)行了大量的研究工作,這一工作就是現(xiàn)在所稱的幾何建模(GeometricModeling)。目前市場(chǎng)上的CAD/CAM系統(tǒng)大多都采用幾何建模方法。所謂幾何建模方法,即物體的描述和表達(dá),其是建立在幾何信息和拓?fù)湫畔⒌奶幚砘A(chǔ)上的。幾何信息一般是指物體在歐氏空間中的形狀、位置和大小,而拓?fù)湫畔t是物體各分量的數(shù)目及其相互間的連接關(guān)系。在CAD/CAM系統(tǒng)中,幾何建模是自動(dòng)設(shè)計(jì)和圖形處理的基礎(chǔ)。從20世紀(jì)70年代初歐洲首先把幾何建模技術(shù)列為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造的中心研究項(xiàng)目以來,經(jīng)過二十多年的發(fā)展,在幾何建模的研究方面已取得很大的進(jìn)展。圍繞著幾何建模技術(shù)主要的研究課題有:①現(xiàn)實(shí)世界中物體的描述方法,如二維、三維描述及線框、表面、實(shí)體建模技術(shù)等。②三維實(shí)體建模中的各種計(jì)算機(jī)內(nèi)部表達(dá)模式,如邊界表示法、構(gòu)造立體幾何法、空間單元表示法等。③發(fā)展一些關(guān)鍵算法,如并、交、差運(yùn)算及消隱運(yùn)算等。④幾何建模系統(tǒng)的某些重要應(yīng)用,如工程圖的生成,具有明暗度和陰影的圖形及彩色圖的生成,有限元網(wǎng)格生成,數(shù)控程序的生成和加工過程模擬等。幾何建模系統(tǒng)分類二維幾何建模系統(tǒng)計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型可以是二維的,也可以是三維的,這主要取決于應(yīng)用場(chǎng)合和目的。由于二維幾何建模系統(tǒng)可以滿足一般繪圖工作的要求,符合長(zhǎng)期以來人們用視圖表達(dá)產(chǎn)品形狀和尺寸的習(xí)慣,并且所占存儲(chǔ)空間少,價(jià)格便宜,因此CAD/CAM的研究大多都是從二維幾何建模系統(tǒng)開始的。二維幾何建模系統(tǒng)主要研究平面輪廓處理問題,它可以分為邊式和面式兩類系統(tǒng)。所謂邊式系統(tǒng)只描述輪廓邊,然后通過不同類型輪廓邊的相互順序?qū)崿F(xiàn)繪圖目的。由于它沒有定義相互聯(lián)系邊的范圍,所以不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)畫剖面線、拷貝和圖形變換等功能。所謂面式系統(tǒng),是將封閉輪廓邊包圍的范圍定義成一個(gè)平面,并作為一個(gè)整體來處理。它不僅可自動(dòng)畫削面線、拷貝、變換,還可以隨意相互拼合(相加或相減),從而構(gòu)成任意復(fù)雜的圖形。

由于二維幾何建模系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單實(shí)用,同時(shí)大部分二維CAD系統(tǒng)都提供了方便的人機(jī)交互功能,比較符合設(shè)計(jì)人員慣用的繪圖工作方式,如果任務(wù)僅局限于計(jì)算機(jī)輔助繪圖或是對(duì)回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行數(shù)控編程,則可采用二維幾何建模系統(tǒng)。在二維幾何建模系統(tǒng)中,由于各視圖及剖面圖在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是相互獨(dú)立產(chǎn)生的,所以就不可能將同一個(gè)零件的這些不同信息構(gòu)成一個(gè)整體模型。當(dāng)一個(gè)視圖改變時(shí),其他視圖不可能自動(dòng)改變,這是它的一個(gè)很大弱點(diǎn)。在二維和三維幾何建模系統(tǒng)之間還有一個(gè)領(lǐng)地,有人稱為二維半(2.5D)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)指的是一個(gè)平面輪廓在深度方向延伸形成三維表示方法。由于其幾何處理仍是平面輪廓問題,所以仍應(yīng)屬于二維幾何建模系統(tǒng)。2.三維幾何建模系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)世界的物體是三維的,因而三維幾何建模系統(tǒng)可以更加真實(shí)、完整、清楚地描述物體,它代表了CAD發(fā)展的主流。例如飛機(jī)的設(shè)計(jì),過去是從二維圖紙開始,而現(xiàn)在飛機(jī)的設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì),大部分都采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。三維數(shù)字化定義(DPD)和三維數(shù)字化預(yù)裝配(DPA)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)異地?zé)o紙制造及虛擬制造的基本手段。幾何建模系統(tǒng)分類①二維幾何建模系統(tǒng)由于二維幾何建模系統(tǒng)可以滿足一般繪圖工作的要求,符合長(zhǎng)期以來人們用視圖表達(dá)產(chǎn)品形狀和尺寸的習(xí)慣,并且所占存儲(chǔ)空間少,價(jià)格便宜,因此CAD/CAM的研究大多都是從二維幾何建模系統(tǒng)開始的。二維幾何建模系統(tǒng)主要研究平面輪廓處理問題,它可以分為邊式和面式兩類系統(tǒng)。所謂邊式系統(tǒng)只描述輪廓邊,然后通過不同類型輪廓邊的相互順序?qū)崿F(xiàn)繪圖目的。由于它沒有定義相互聯(lián)系邊的范圍,所以不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)畫剖面線、拷貝和圖形變換等功能。所謂面式系統(tǒng),是將封閉輪廓邊包圍的范圍定義成一個(gè)平面,并作為一個(gè)整體來處理。它不僅可自動(dòng)畫削面線、拷貝、變換,還可以隨意相互拼合(相加或相減),從而構(gòu)成任意復(fù)雜的圖形。

由于二維幾何建模系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單實(shí)用,同時(shí)大部分二維CAD系統(tǒng)都提供了方便的人機(jī)交互功能,比較符合設(shè)計(jì)人員慣用的繪圖工作方式,如果任務(wù)僅局限于計(jì)算機(jī)輔助繪圖或是對(duì)回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行數(shù)控編程,則可采用二維幾何建模系統(tǒng)。在二維幾何建模系統(tǒng)中,由于各視圖及剖面圖在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是相互獨(dú)立產(chǎn)生的,所以就不可能將同一個(gè)零件的這些不同信息構(gòu)成一個(gè)整體模型。當(dāng)一個(gè)視圖改變時(shí),其他視圖不可能自動(dòng)改變,這是它的一個(gè)很大弱點(diǎn)。在二維和三維幾何建模系統(tǒng)之間還有一個(gè)領(lǐng)地,有人稱為二維半(2.5D)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)指的是一個(gè)平面輪廓在深度方向延伸形成三維表示方法。由于其幾何處理仍是平面輪廓問題,所以仍應(yīng)屬于二維幾何建模系統(tǒng)。②三維幾何建模系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)世界的物體是三維的,因而三維幾何建模系統(tǒng)可以更加真實(shí)、完整、清楚地描述物體,它代表了CAD發(fā)展的主流。例如飛機(jī)的設(shè)計(jì),過去是從二維圖紙開始,而現(xiàn)在飛機(jī)的設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì),大部分都采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。三維數(shù)字化定義(DPD)和三維數(shù)字化預(yù)裝配(DPA)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)異地?zé)o紙制造及虛擬制造的基本手段。幾何建模方法幾何建模方法實(shí)體建模體素的定義及描述布爾運(yùn)算線框建模表面建模特征建模技術(shù)特征建模的概念①特征建模概念的提出幾何建模技術(shù)推動(dòng)了CAD/CAM的發(fā)展,隨著信息技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對(duì)CAD/CAM系統(tǒng)提出越來越高的要求,尤其是計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)的出現(xiàn),要求將產(chǎn)品的需求分析、設(shè)計(jì)開發(fā)、制造生產(chǎn)、質(zhì)量檢測(cè)、售后服務(wù)等產(chǎn)品整個(gè)生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)的信息有效地集成起來。由于現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)大多都建立在幾何模型的基礎(chǔ)上,即建立在對(duì)已存在對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系描述的基礎(chǔ)上,這些信息無明顯的功能、結(jié)構(gòu)和工程含義,所以想從這些信息中提取、識(shí)別工程信息是相當(dāng)困難的,為此推動(dòng)了特征建模技術(shù)的發(fā)展。特征的概念最早出現(xiàn)在1978年美國MIT的一篇學(xué)士論文“CAD中基于特征的零件表示”中,隨后經(jīng)過幾年的醞釀?dòng)懻?至80年代末有關(guān)特征建模技術(shù)才得到廣泛關(guān)注。特征是一種集成對(duì)象,包含豐富的工程語義,因此,它是在更高層次上表達(dá)產(chǎn)品的功能和形狀信息。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)階段和應(yīng)用領(lǐng)域有不同的特征定義,例如功能特征、加工特征、形狀特征、精度特征等。特征體現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)方法學(xué),它是新一代的CAD/CAM建模技術(shù)。②特征的定義特征是一種綜合概念,它作為產(chǎn)品開發(fā)過程中各種信息的載體,除包含零件的幾何拓?fù)湫畔⑼?還包含了設(shè)計(jì)制造等過程所需要的一些非幾何信息,如材料信息、尺寸、形狀公差信息、熱處理信息、表面粗糙度信息和刀具信息等。因此特征包含豐富的工程語義,它是在更高層次上對(duì)幾何形體上的凹腔、孔、槽等的集成描述。形狀特征是描述產(chǎn)品或零件的最基本特征,因此目前特征的分類也多以形狀特征為主進(jìn)行研究。特征的分類與特征的定義一樣,也是依賴于相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域及零件類型。根據(jù)制造方法不同,可分為鑄、鍛、焊、機(jī)加工和注塑成型等特征;按零件類型不同,可分為軸盤類、板塊類、箱體類、自由曲面類等特征。按照特征的復(fù)雜程度可分為簡(jiǎn)單特征和復(fù)合特征。簡(jiǎn)單特征為獨(dú)立的形狀結(jié)構(gòu),復(fù)合特征為簡(jiǎn)單特征的組合結(jié)構(gòu),如周向均布孔、矩形陣列孔、同心孔等。其中工程語義信息包括3類屬性信息,即靜態(tài)信息—描述特征形狀、位置屬性數(shù)據(jù);規(guī)則和方法—確定特征功能和行為;特征關(guān)系—描述特征間相互約束關(guān)系。依據(jù)不同應(yīng)用功能,可以為特征賦予不同的工程語義信息。由于該種定義強(qiáng)調(diào)了特征的工程語義信息,既能表達(dá)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖,又具有相應(yīng)的制造加工信息,所以特征建模技術(shù)成為CAD/CAM集成的核心技術(shù)。隨著特征建模技術(shù)的發(fā)展,研究人員又提出了一系列新的概念和方法,如功能特征、結(jié)構(gòu)特征、特征識(shí)別、特征映射等,為了能對(duì)特征在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中的本質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)化、理論化的描述,有人從廣義設(shè)計(jì)空間理論出發(fā),提出了廣義設(shè)計(jì)特征的概念,并對(duì)設(shè)計(jì)過程中的功能特征、原理特征、結(jié)構(gòu)特征和制造特征等進(jìn)行系統(tǒng)研究,建立了基于廣義設(shè)計(jì)特征的集成產(chǎn)品模型體系。特征建模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展最近幾年在基于特征的CAPP、基于特征的NC編程方面進(jìn)行了很多研究。由于設(shè)計(jì)特征與制造特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在CAD設(shè)計(jì)完成后,CAPP、CAM可直接將特征設(shè)計(jì)的結(jié)果作為輸入自動(dòng)生成工藝過程和NC加工程序,實(shí)現(xiàn)了具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一界面的集成CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)。特征建模技術(shù)是正在研究發(fā)展中的技術(shù),至今還有很多難題有待進(jìn)一步研究。例如,特征的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義、特征所能勝任的零件復(fù)雜程度、特征如何體現(xiàn)零件的功能要求,以及功能特征與制造特征的映射等。產(chǎn)品建模應(yīng)用實(shí)例數(shù)字化計(jì)算機(jī)仿真數(shù)字化計(jì)算機(jī)仿真的定義、地位及作用、發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)仿真方法的基本類型計(jì)算機(jī)仿真過程仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用數(shù)字化計(jì)算機(jī)仿真的定義、地位及作用、發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)仿真的定義所謂計(jì)算機(jī)仿真又稱為計(jì)算機(jī)模擬(ComputerAnalogy)或計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn),就是建立系統(tǒng)(系統(tǒng)包括所有工程和非工程)的仿真模型,進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上對(duì)該仿真模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)(仿真實(shí)驗(yàn))研究,以達(dá)到通過模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為而認(rèn)識(shí)其本質(zhì)規(guī)律目的的過程。計(jì)算機(jī)仿真在實(shí)體尚不存在,或者不易在實(shí)體上進(jìn)行試驗(yàn)的情況下,通過對(duì)考察對(duì)象進(jìn)行建模,用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)出其物理特性,然后編制計(jì)算機(jī)程序,利用仿真模型來模仿實(shí)際系統(tǒng)所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)過程并進(jìn)行試驗(yàn),在模擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的性能和特征(動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的),通過考察對(duì)象在系統(tǒng)參數(shù)、內(nèi)外環(huán)境條件改變的情況下,其主要參數(shù)如何變化,從而達(dá)到全面了解和掌握考察對(duì)象特性的目的。計(jì)算機(jī)仿真包含從建模、施加負(fù)載和約束到預(yù)測(cè)在真實(shí)狀況下的響應(yīng)等一系列步驟。仿真技術(shù)綜合集成了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制、相似原理、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù),以計(jì)算機(jī)和各種物理設(shè)備為工具,利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真主要研究數(shù)字仿真方法、仿真語言、仿真技術(shù)、仿真計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用。仿真方法研究包括仿真算法、仿真模型的建立、仿真模型的誤差及仿真算法的選擇等;仿真語言研究和仿真的程序設(shè)計(jì)是在高級(jí)語言的基礎(chǔ)上建立起來的,近年來已有幾十種仿真語言問世;仿真技術(shù)是研究并行處理的全數(shù)字仿真技術(shù)和在模擬仿真中的尋優(yōu)技術(shù);仿真計(jì)算機(jī)則是研究仿真專用計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)仿真的地位及作用計(jì)算機(jī)仿真方法是一種綜合了實(shí)驗(yàn)方法與理論方法兩者的優(yōu)勢(shì),但又具備自己獨(dú)特之處的全新的研究方法,它在科學(xué)方法論體系中應(yīng)處于獨(dú)立的地位。由于其有效性、可重復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和保密性等優(yōu)點(diǎn),計(jì)算機(jī)仿真在科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮的作用越來越大,計(jì)算機(jī)仿真規(guī)模由小到大、從局部到整體、由以實(shí)物及外場(chǎng)為主向以數(shù)學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)仿真為主,仿真應(yīng)用由軍事領(lǐng)域普及到了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。任何一個(gè)學(xué)科只要理論上較完備,就可借助計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行開拓性的研究。不少學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行了全新的理論探索和應(yīng)用研究,取得了許多用其他方法無法得到的重大成果。作為系統(tǒng)全生命周期中各階段的重要技術(shù)手段和工具,目前正廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)及軍事的各個(gè)領(lǐng)域,并已在各類大型工業(yè)制造、運(yùn)輸系統(tǒng)控制與培訓(xùn)得到了成功的運(yùn)用。其作用主要表現(xiàn)為以下4個(gè)方面。①在系統(tǒng)研制過程中,借助計(jì)算機(jī)仿真方法能方便、迅速地對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)反復(fù)進(jìn)行修改和調(diào)整;規(guī)劃、評(píng)價(jià)和研究系統(tǒng)某一部分的性能、系統(tǒng)各個(gè)部分或各個(gè)分系統(tǒng)之間的相互影響,以及它們對(duì)整體性能的影響;比較各種設(shè)計(jì)方案,從而獲得最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。②對(duì)于復(fù)雜的工程系統(tǒng),用計(jì)算機(jī)仿真方法就可大大降低實(shí)驗(yàn)成本等相關(guān)費(fèi)用。③對(duì)于一些難度高、危險(xiǎn)大的復(fù)雜工程系統(tǒng),進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕p少經(jīng)濟(jì)和政治風(fēng)險(xiǎn),提高成功率。④對(duì)于經(jīng)濟(jì)、軍事、社會(huì)等各種非工程復(fù)雜系統(tǒng),以真實(shí)系統(tǒng)或預(yù)設(shè)系統(tǒng)的仿真模型為依據(jù),在給定條件下運(yùn)行具體仿真模型和對(duì)計(jì)算機(jī)輸出信息的分析,推演出系統(tǒng)變化趨勢(shì),提高對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和變化規(guī)律的綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)能力,為制定對(duì)策提供可靠依據(jù)。計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展歷程根據(jù)仿真模型類型及實(shí)現(xiàn)方式的不同,仿真技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了物理仿真、模擬仿真、混合仿真、數(shù)字仿真和進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后的智能化仿真、分布式并行處理仿真、仿真支持系統(tǒng)等從實(shí)物到計(jì)算機(jī)仿真5個(gè)階段。計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)正從人、計(jì)算機(jī)同研究數(shù)學(xué)映射模型為主題逐步轉(zhuǎn)向創(chuàng)建人、信息、計(jì)算機(jī)相融合的智能化、集成化、協(xié)調(diào)化高度一體的仿真環(huán)境。計(jì)算機(jī)仿真發(fā)展主要趨勢(shì)有以下8個(gè)方面。①面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛨D形建模技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)提供一種可視化建模仿真環(huán)境,使復(fù)雜的建模過程得到簡(jiǎn)化,使其接近人的自然思維方式,并且所建立的模型具有內(nèi)在的可擴(kuò)充性和可重用性,為大型復(fù)雜系統(tǒng)的仿真分析提供了方便。②在被仿真的系統(tǒng)方面,重點(diǎn)由對(duì)連續(xù)系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)向?qū)﹄x散事件系統(tǒng)仿真。③在對(duì)仿真基本框架中3個(gè)步驟(建模、仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析)的重視程度方面,由重視仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向重視建模和仿真結(jié)果分析。④在仿真軟件方面,由研究開發(fā)仿真語言轉(zhuǎn)向研究開發(fā)一體化仿真軟件系統(tǒng)(或稱一體化仿真環(huán)境)。⑤在仿真的對(duì)象及目的方面,由研究系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性擴(kuò)展為研究系統(tǒng)的各種特性。⑥在仿真環(huán)境方面,由集中式仿真轉(zhuǎn)向分布式仿真。分布式仿真已成為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向,利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將處在不同地理位置的各個(gè)部門連接起來,實(shí)現(xiàn)資源共享,達(dá)到節(jié)省人力、物力和財(cái)力的目的。⑦仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合(智能化仿真)涉及知識(shí)庫用于建模與仿真(包括利用知識(shí)庫和專家系統(tǒng)為仿真模型的建立和提供咨詢服務(wù))、仿真結(jié)果的檢驗(yàn)、可信度分析等方面。⑧虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了計(jì)算機(jī)仿真過程中人機(jī)交流方式,使用戶可以進(jìn)入虛擬世界內(nèi)部直接觀察或感受事物內(nèi)在的變化,并可以直接參與到事物的相互作用中去成為虛擬世界中的一部分。計(jì)算機(jī)仿真方法的基本類型仿真分類方法按分類方式的不同仿真技術(shù)有多種分類方法。①按照傳統(tǒng)分類方法,仿真方法有幾何仿真方法(用實(shí)物去仿真,直接給出對(duì)象的空間形式)、物理仿真方法(給出仿真實(shí)際行為和過程)、數(shù)學(xué)仿真方法(用數(shù)學(xué)關(guān)系來研究問題)、功能仿真方法(用示意框圖、符號(hào)圖示、公式、方程式來研究問題)、邏輯仿真方法(人們思考和處理問題的一種規(guī)律)、思維仿真方法(一種推測(cè)性、聯(lián)想性、知識(shí)再現(xiàn)性、輸出對(duì)輸入做出響應(yīng)的方法)。②按模型類型分類,有連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散系統(tǒng)仿真、連續(xù)/離散混合系統(tǒng)仿真、定性系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時(shí)間連續(xù)變化,能用一組方程式來描述;離散事件系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)狀態(tài)只在一些時(shí)間點(diǎn)上由于某種隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化,在兩個(gè)事件之間狀態(tài)變量保持不變,其數(shù)學(xué)模型一般很難用數(shù)學(xué)方程來描述,通常是用流程圖和網(wǎng)絡(luò)圖來描述。③按模型在空間分布形式,有集中式仿真、分布式仿真。④按所用計(jì)算機(jī)類型分類,由于電子計(jì)算機(jī)分為模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合計(jì)算機(jī)和全數(shù)字并行處理計(jì)算機(jī),因而相應(yīng)就存在模擬計(jì)算機(jī)仿真方法、數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真方法、混合計(jì)算機(jī)仿真方法和全數(shù)字并行計(jì)算機(jī)仿真方法等四大類仿真方法。⑤按仿真運(yùn)行時(shí)間與系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行時(shí)間的比例關(guān)系,有實(shí)時(shí)仿真、超時(shí)仿真、欠時(shí)仿真。⑥按被仿真對(duì)象的性質(zhì),有工程系統(tǒng)仿真、非工程系統(tǒng)仿真。⑦按模型的實(shí)現(xiàn)方式和手段,有硬件在回路中仿真或半實(shí)物仿真、計(jì)算機(jī)仿真、人在回路中仿真。半實(shí)物仿真把數(shù)學(xué)模型與物理模型及實(shí)物聯(lián)合在一起進(jìn)行試驗(yàn),也稱為數(shù)學(xué)-物理仿真。模擬計(jì)算機(jī)仿真方法(模擬仿真方法)模擬仿真使用的工具是模擬計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)仿真是一種建立在不同物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相似基礎(chǔ)上的仿真方法,是以實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與模擬計(jì)算機(jī)中具有模型特征的典型硬件電路間的相似性為基礎(chǔ)的。實(shí)際系統(tǒng)中的各種物理量,如速度、距離、角度、重量等都可用按一定比例變換后的電壓來表示;而硬件電路由各種基本運(yùn)算部件,如加法器、乘法器、比例器、積分器、函數(shù)器等組成,其輸入、輸出均是電壓,不同的電壓值代表數(shù)學(xué)方程中的不同變量(通常以10V或100V作為機(jī)器變量的滿標(biāo)度),通過將這些基本計(jì)算部件連接起來就能完成較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。根據(jù)相似原理,實(shí)際系統(tǒng)中某一物理量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系和模擬計(jì)算機(jī)上與該物理量對(duì)應(yīng)的電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系是相似的,因此實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程和模擬計(jì)算機(jī)上的解題方程存在相似關(guān)系。由于模擬計(jì)算機(jī)能快速地解算常微分方程,若設(shè)法用微分方程、代數(shù)方程或邏輯方程建立描述實(shí)際系統(tǒng)特性的連續(xù)時(shí)間,那么就可以在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。編制模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)算程序與編制數(shù)字計(jì)算機(jī)的程序完全不同,它是設(shè)計(jì)模擬運(yùn)算部件的連接框圖。模擬計(jì)算機(jī)由于其硬件上的特殊性,是一種并行運(yùn)算裝置,所有運(yùn)算部件都在同一時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算,因而模擬計(jì)算機(jī)仿真具有運(yùn)算速度快,當(dāng)參數(shù)變化時(shí)容易掌握解的變化,仿真時(shí)間標(biāo)尺可任意設(shè)定,易于和實(shí)物相連構(gòu)成仿真器等優(yōu)點(diǎn)。但是,模擬計(jì)算機(jī)仿真同樣存在運(yùn)算精度較低的問題,如在處理多變量或非線性較強(qiáng)的場(chǎng)合的對(duì)于偏微分方程難以求得高精度的解,邏輯控制功能較差，自動(dòng)化程度也較低。數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真方法(數(shù)字仿真方法)數(shù)字仿真使用的工具是通用數(shù)字計(jì)算機(jī)。20世紀(jì)60年代后,數(shù)字計(jì)算機(jī)逐漸取代早期采用的模擬計(jì)算機(jī),成為主要仿真工具。它把數(shù)學(xué)模型當(dāng)作數(shù)字計(jì)算問題,用求解的方法進(jìn)行處理。隨著數(shù)值分析及軟件的發(fā)展,數(shù)字仿真領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,數(shù)字式仿真幾乎可以應(yīng)用于如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題、系統(tǒng)中的排隊(duì)、管理決策問題等所有工程和非工程領(lǐng)域。數(shù)字仿真模型的建立與模擬仿真有很大不同,數(shù)字仿真不是建立在數(shù)學(xué)模型相似的基礎(chǔ)上,而是建立在離散數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上。數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算對(duì)象是二進(jìn)制數(shù)碼,因而機(jī)器變量表現(xiàn)為離散的形式,為了使數(shù)字計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別,必須將連續(xù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)值計(jì)算。另外,數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真需要選擇合適的數(shù)值計(jì)算公式,研究各種仿真算法,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的離散化和建立仿真模型,然后再運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴ㄕZ言編制仿真程序。近年來已經(jīng)開發(fā)出的大量數(shù)字仿真軟件包,大大地提高了數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真的自動(dòng)化程度。數(shù)字仿真具有運(yùn)算精度高、邏輯判斷功能強(qiáng)、使用方便靈活(系統(tǒng)參數(shù)可隨意調(diào)整)等優(yōu)點(diǎn)。但是,數(shù)字仿真同樣存在計(jì)算速度不如模擬式仿真,對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真,進(jìn)行實(shí)物或半實(shí)物仿真時(shí)需配備模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換裝置等不足之處?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真方法(混合仿真方法)混合仿真使用的工具是混合計(jì)算機(jī)?；旌嫌?jì)算機(jī)是由模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)及專用的混合接口(A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),兼有模擬計(jì)算機(jī)的快速性及數(shù)字計(jì)算機(jī)的靈活性。混合計(jì)算機(jī)仿真將模擬仿真與數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,可充分發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)兩者各自的長(zhǎng)處(即模擬計(jì)算機(jī)的高速處理能力)及數(shù)字計(jì)算機(jī)的高精度、高存儲(chǔ)及強(qiáng)邏輯功能。它不僅能解決系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、管理決策等問題,還能解決解偏微分方程和求最優(yōu)值的問題。由于混合仿真可充分發(fā)揮模擬仿真和數(shù)字仿真各自的優(yōu)勢(shì),所以提高了處理復(fù)雜工程系統(tǒng)仿真時(shí)的能力,可用于處理復(fù)雜、快速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真問題。但是,由于混合計(jì)算機(jī)硬件構(gòu)造上的特點(diǎn),其所用的硬件、軟件與數(shù)字計(jì)算機(jī)相比要復(fù)雜得多,并且造價(jià)高昂,因此僅僅應(yīng)用于航空、航天等少數(shù)領(lǐng)域,難以在民用部門推廣。全數(shù)字并行計(jì)算機(jī)仿真方法(并行仿真方法)并行仿真使用的工具是全數(shù)字并行計(jì)算機(jī)。并行仿真就是利用并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在多臺(tái)處理機(jī)上對(duì)同一復(fù)雜模型進(jìn)行并行求解,以便大大縮短仿真運(yùn)行時(shí)間,或者實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)求解與控制。并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過利用多個(gè)計(jì)算機(jī)資源去完成某個(gè)單一的作業(yè)(即并行處理),以獲得很快的處理速度。并行計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)若從資源開發(fā)的角度可分為空間并行處理和時(shí)間并行處理兩大類?？臻g并行處理又分為陣列處理(單指令多數(shù)據(jù)流—SIMD系統(tǒng))和功能并行處理(多指令多數(shù)據(jù)流—MIMD系統(tǒng))。時(shí)間并行處理主要指流水線處理(多指令單數(shù)據(jù)流—MISD系統(tǒng))。并行仿真不管是在專用仿真計(jì)算機(jī)或是通用陣列計(jì)算機(jī)上實(shí)施,都需要解決諸如設(shè)計(jì)實(shí)用可靠的并行仿真算法,計(jì)算任務(wù)在各臺(tái)處理機(jī)上的合理分配,各處理機(jī)間的通信方式,并行仿真算法在并行計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)等問題。并行仿真的最大優(yōu)點(diǎn)是其極快的處理速度,因而適用于特大型復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真。但是,目前并行處理系統(tǒng)在硬件與軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上都存在一些問題,并行仿真硬件與軟件還難以實(shí)現(xiàn)最佳匹配,這都使得并行計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)難以得到充分發(fā)揮。計(jì)算機(jī)仿真過程無論哪種類型的仿真都是以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的,在一定假設(shè)條件下進(jìn)行的信息處理過程,是在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究的過程。計(jì)算機(jī)仿真包括系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)3個(gè)要素。對(duì)于不同類型的計(jì)算機(jī)仿真方法,計(jì)算機(jī)仿真的具體內(nèi)容區(qū)別很大。計(jì)算機(jī)仿真包括“系統(tǒng)模型和仿真模型的建立、仿真實(shí)驗(yàn)、分析”這3個(gè)基本部分,包括從建模到實(shí)驗(yàn)再到分析的全過程。仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用仿真技術(shù)是世界發(fā)達(dá)國家十分重視的一門高新技術(shù),廣泛應(yīng)用于航空、導(dǎo)彈、原子彈、宇航等控制系統(tǒng)。宇航工業(yè)中著名的“阿波羅”登月仿真系統(tǒng)包括混合計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)仿真器、月球仿真器、駕駛艙、視景系統(tǒng)等,可實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上預(yù)先對(duì)登月計(jì)劃進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與檢驗(yàn),同時(shí)還可對(duì)宇航員進(jìn)行仿真操作訓(xùn)練(共進(jìn)行五年),從而降低了實(shí)際登月的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。仿真技術(shù)與可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等相結(jié)合,在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。①物理力學(xué)仿真。②幾何仿真。③加工過程仿真。④工作過程仿真。有限元分析基礎(chǔ)有限元法概述有限元法的計(jì)算步驟有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析應(yīng)用實(shí)例有限元法概述有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一。它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。有限元法是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展起來的新的數(shù)值計(jì)算方法,是計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物。雖然有限元的概念早在20世紀(jì)40年代就有人提出,但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn),它并未受到人們的重視。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到廣泛應(yīng)用,現(xiàn)已遍及宇航、核研究、機(jī)電、化工、建筑、海洋等工業(yè),是機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段。早在20世紀(jì)70年代初期就有人給出結(jié)論:有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的變化,理論設(shè)計(jì)代替了經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)。目前,有限元法仍在不斷發(fā)展,理論上不斷完善,各種有限元分析程序包的功能越來越強(qiáng)大,使用越來越方便。有限元法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化,用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的對(duì)象,單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接,然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目是有限的,所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大,只要改變單元的數(shù)目,就可以使解的精確度改變,得到與真實(shí)情況無限接近的解。有限元法的基本理論要用到數(shù)學(xué)、力學(xué)方面的各種知識(shí)。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用工程師來說,他的目的是應(yīng)用有限元法去求解各種工程問題,目前市場(chǎng)上各種功能強(qiáng)大的有限元程序包很多,這些程序包使用方便,也不需要對(duì)有限元法進(jìn)行很深入的了解,即可應(yīng)用這些程序求解工程問題。因此,對(duì)于一般的工程技術(shù)人員來說,只需要花很少的時(shí)間了解一些有限元的基本知識(shí)即可,不需要對(duì)它的理論背景做更深入的研究。有限元法的計(jì)算步驟有限元法的計(jì)算步驟在采用有限元法(線彈性)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),通常采用如下步驟。①結(jié)構(gòu)離散化結(jié)構(gòu)離散化是把實(shí)際結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元的集合體,相鄰單元之間只在節(jié)點(diǎn)處互相連接在一起,傳遞力和位移,使力學(xué)模型變成離散模型。依據(jù)結(jié)構(gòu)本身形狀和受力情況的不同采用的單元類型也不同。常用的有桿單元、梁?jiǎn)卧?、板殼單元、體單元等。單元?jiǎng)澐值氖杳苤饕罁?jù)精度要求和計(jì)算機(jī)容量及其計(jì)算費(fèi)用來確定。通常在應(yīng)力集中的部位及應(yīng)力變化比較劇烈的地方,單元宜劃分得密一些,單元的大小要逐步過渡。②單元分析所謂單元分析,就是建立各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系式,即導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?。單元分析具體有以下步驟。構(gòu)造單元位移模式。描述單元中各點(diǎn)位移變化規(guī)律的函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。一般彈性體受力變形后的內(nèi)部各點(diǎn)位移變化情況是很復(fù)雜的,但是,在小單元的區(qū)域內(nèi),可以假設(shè)位