数字化设计及仿真应用

[摘要］制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAＤ／CAＭ软件环境平台，并应用C ＡD/ＣAＭ软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CＡＤ/CAM）软件系统来完成机械设计过程是加速设计效率、提高设计质量的一种重要手段。

本文首先介绍了数字化设计的概念和发展历史,然后展望了数字化设计的发展趋势,最后主要探讨了数字化设计和仿真分析技术的应用及效益。

[关键词]:机械产品;数字化设计；仿真分析

1．?引言 (1)

2.数字化设计技术1?

2.１数字化设计技术的特点 (1)

2.2 数字化设计技术发展历史......................................................... 错误!未定义书签。

２.3 数字化设计技术发展趋势 (2)

3.数字化仿真技术2?

3.1 数字化建模技术2?

3.2 数字化仿真与虚拟现实技术 (3)

3.３有限元分析技术....................................................................... 错误!未定义书签。

4.数字化设计及仿真的应用和效益................................................................................. ４

４．1 数字化设计及仿真的应用 (4)

４.2 数字技术带来的效益 (5)

4．２.1 产品设计的效益5?

４.2.１工艺规划的效益?错误!未定义书签。

4．2.3 业务规划和生产效益 (6)

5.?数字化设计及仿真的意义6?

５.１数字化设计技术的意义......................................................................................... ７

5.2 数字化仿真的意义7?

6．结束语8?

1.引言

随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展,现代制造企业环境发生了重大的变化。为此，制造企业的战略从20世纪50年代和６0年代资源经济的“规模效益第一”，经过７0年代和80年代“价格竞争第一”和“质量竞争第一”发展到９0年代“市场响应速度第一”及面向21世纪知识经济的“技术创新第一”。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于:在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用,使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升,促进传统产业在各个方面的技术更新,使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。

数字化设计与制造是计算机辅助技术、系统及集成技术的重要组成部分，它是向网络化制造和虚拟化技术发展的基础，它使原有的传统制造业变成了智力型的工业，使企业主要通过资源要素如劳动力、设备、资金竞争逐渐变为以创新能力知本型为焦点的竞争。这正是知识经济时代最重要的特征。

2.数字化设计技术

随着信息技术和通信技术的发展，数字化时代正在到来．数字化技术是指利用计算机软硬件及网络、通信技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析、综合优化，从而达到精确描述和科学决策的过程和方法。数字化技术具有描述精度高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点，因此数字化技术为各个领域的科技进步和创新提供了崭新的工具。

数字化技术与传统制造技术的结合称为数字化制造技术。3０年来数字化制造的应用范围不断扩大，数字化制造技术已逐渐成为制造业信息化中的主流技术和核心技术．由于数字化技术是科学分析和科学决策的理论基础,提供了从定性到定量、从模糊到精确、从直觉到科学的工具,因而数字化技术推动了制造科学的发展和进步。

目前制造业的几个重要发展方向，如精密化、自动化、集成化、虚拟化、网络化、全球化，无一不与数字化技术的发展密切相关。因此，面对制造业全球化竞争的日益激烈,必须重视数字化制造技术在我国的形成和发展。

２.1 数字化设计技术的特点

20世纪有许多重大高新技术的应用,但没有一项技术的影响像信息技术和数字化技术那样深,那样广。由于数字化技术的可控性、可变性、离散性、可视性、集成性,产生了很多新的现代设计方法、工艺技术和管理模式。

2．２数字化设计技术发展历史

ＣAD技术起步于20世纪50年代后期,6０年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，ＣAD开始迅速发展。２0世纪70年代末到８0年代初，由于计算机技术的大跨步前进,维曲面造型系统的出现使CAE ，CAＭ技术有了较大发展。进入80年代中期，参数化技术的应用主导了CAＤ发展史上的第三次革命。此时众多CＡD/CAM/CA Ｅ软件开发公司群雄逐鹿。8０年代后期到90年代，ＣAD向系统及集成化方向发展,这将引起CAD发展史的第四次革命。

2.３数字化设计技术发展趋势

先进机械制造技术发展总趋势是精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、集成化及管理的创新,而数字化设计与制造技术是先进制造技术的基础随着计算机技术的不断提高,Internet网络技术的普及应用，以及用户的需求,ＣAM，CAE,PDＭ等技术的发展,必将有力促进数字化设计技术的进一步发展。数字化设计技术发展趋势主要有:

(1)单项技术向完善化发展。在CAD／ＣAM中的技术主要有:曲面建模技术、曲面与实体集成技术、实体建模技术、大型组件设计技术等。(2)PDM与CAD/CＡＰP的技术集成技术。当前和今后一个时期,主要集中在封装、接口和集成技术（3)数字化设计与虚拟制造的无缝连接基于CAD技术和以计算机支持的仿真技术，形成虚拟的环境,虚拟的制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业,从而大大缩短产品开发周期，提高一次成功率。币数字化设计的网络化网络技术使得并行协同异地设计成为可能，必将极大的拓展强化提高数字化设计的效能。网络技术的高速发展推动网络设计制造技术的发展和广泛应用。企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户订单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造,然后在最近用户的生产基地制造成产品。

3.数字化仿真技术

数字化仿真分析技术（CAＥ )，采用有限元分析方法(FEM)来模拟传动部件的力学性能,发现设计缺陷、减轻重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素,提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命,进而提高传动产品的综合性能。

通过数字化仿真,可以模拟零部件的力学性能,以保证零件满足需要的性能，从而达到提高材料利用率、优化产品结构、提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命的目标。此外，数字化仿真的结果还可以为企业未来的产品设计提供理论依据,从而可以克服研发流程的瓶颈,使产品的质量和创新得到改进和提升，并充分满足客户的时间、质量和成本这三个既相互依存又相互制约的要素。

3.1 数字化建模技术

数字化建模技术是产品设计中的核心技术,它包括产品建模和过程建模。

(1)产品建模

产品建模技术研究如何在计算机内部描述和表达处于产品开发生命周期内各阶段的产品,包括产品需求信息、项目信息、产品文档信息、产品几何信息、虚拟样机信息等,它是实现数字化设计和信息集成的基础。

在产品数字化建模中,基于特征和参数化的混合建模技术是一种新一代建模技术。由于特征建模技术在设计时考虑制造、装配等问题，从设计方法学角度看，它体现了并行性和集成性。

（2)过程建模

过程（Prｏcｅss)是一种或多种输入产生的有价值的输出活动的合。产品开发过程模型一般由产品开发活动、实现活动所需资源、每个活动所需输入、输出及各活动间的控制顺序关系组成，所以过程模型实质上是对活动以及与活动相关的信息流、物流的描述。由于产品开发过程的复杂性,很难用一个模型进行描述,往往采用多视图和复合过程模型描述.所谓多视图，即从产品信息、开发活动、企业资源和组织结构等多方面进行描述，通过集成化方法产生模型间映射机制．复合过程模型描述包括过程、产品数据及资源数据的复合,也包括复合各种模型的特点,如功能模型中的结构分析、动态模型中的状态转移及对象模型中的封装、继承等特点。目前,过程建模的描述方法有基于语言的描述方法（Eｘpress语言)、基于图形的描述方法(IDEF３、Ｅ-Ｒ）、基于规则的描述方法和基于Petri 网的描述方法。过程建模表达的是过程执行的活动,这些活动或者按顺序依次执行,或者并发执行,这取决于过程管理的机制。

3.2 数字化仿真与虚拟现实技术

数学计算和仿真分析是数字化产品开发的关键技术之一，也是验证产品设计方案或预测产品性能、产品可制造性、可装配性、可使用性、减少产品开发中错误的重要手段和工具．随着开发过程集成度要求的不断增加,以及多媒体技术和仿真技术的发展,己提供了多种仿真工具和虚拟现实工具,不仅可对产品性能、可制造性、可维护性、可使用性、成本和外观等进行预测和评估,而且利用虚拟现实的交互性、沉浸性和想象性可实现产品开发环境的高度真实感,使人可直接对虚拟原型进行实时交互操作,产生身临其境的感觉。

３．３有限元分析技术

随着市场竞争的日益激烈，随着经济、社会和环境效益要求的提高，今天的产品设计已离不开有限元分析技术的支持。

目前，有限元分析在产品开发设计中的应用主要有以下几个方面：

（1)静力学分析

静力学分析是对二维或者三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析,是有限元在产品开发中最基本、最常用的分析类型。当作用在产品结构上的载荷不随时间的变化或者随时间变化十分的缓慢,应进行静力学分析。

（2）模态分析

模态分析是动力学分析的一种,用于研究产品结构的固有频率和自振模式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和应力载荷。

(3）谐响应分析和瞬态动力学分析

这两类分析属动力学分析，用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。

(４)热应力分析

这类分析用于研究产品结构的工作温度不等于安装温度，或工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力。

（５）接触分析

这是一种状态非线性分析,用于分析两个结构物体发生接触时的接触面状态、法向力等。由于产品结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的,所以有限元法在产品结构中的应用很多是接触分析。但是，以前受计算能力的制约，接触分析应用得较少。

(6)屈曲分析

这是一种几何非线性分析，由于确定结构开始变得不稳地时的临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。

有限元分析法等CAE技术的发展与应用,为产品技术人员带来了全新的设计方法,不断的更新产品设计人员的设计理念,为其能够迅速及时的开发出适应市场需求的产品带来了极大的方便。随着生产和科技的不断发展,市场竞争的更加激烈,产品技术人员还需要更好的、更适应时代要求的CAE技术。

4.数字化设计及仿真的应用和效益

4．１数字化设计及仿真的应用

机械产品门类广、种类多、市场需求潜力巨大。目前我国机械领域的数字化程度在具体行业中存在较大差距。如农机企业普遍采用传统设计方法，在应用现代设计方法上远远落后于航天、汽车等其他行业。农机企业之间重复型设计多，企业信息资源利用率低。同时在同一行业的不同企业中产品的数字化也有一定程度差别。虽然有些企业具备一般制造业运用CＡＤ技术的能力，且已达到一定的水平，但由于技术储备、装备水平以及新产品的研发能力等方面相对落后，三维CAＤ软件在机械制造企业中的应用还不够普遍。尽管有些领先的企业已经探讨“数字样机”、“并行工程”、“虚拟仿真”等前沿课题但总体来说离大规模推广应用还有很大距离。再次机械产品的整体技术水平、质量、生产规模、企业素质与发达国家相比差距也很大，特别是新产品品种不多、发展滞后,可靠性、使用

寿命满足不了用户要求。

近年来,将数字化设计技术应用于产品的研究与开发的实例正不断增多。今后数字化设计技术在产品设计开发行业中的发展趋势，应注重以下几点:

（1)重视虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境沉浸感觉的技术。采用虚拟现实技术，不但可以在机构运动上加以仿真,还可以通过有限元分析，优化设计方法对机构的动力学加以分析、仿真,对各构件参数进行优化。

（2)强调产品协同设计。良好的协同设计环境，可以尽早地发现并解决产品方案和结构设计。乃至制造和装备中存在的问题,还可以大幅度缩短机械产品的开发周期，降低成本。提高设计与制造质量。

（3）突出产品创新设计。产品创新设计涉及到数据开采、知识发现及其重用技术、知识的表达与组织、知识数据库的开发、基于知识的决策技术等。我国机械设计制造企业的创新能力与国际先进水平有很大差距,因此对产品创新设计的需求十分迫切。

4.２数字技术带来的效益

4.2.1 产品设计的效益

在产品和工具的设计过程中，应用数字化制造技术的用户可以大量的减少设计变更次数,提高交流和协同作业的成效,在工装设备设计，以及在整个产品设计过程中可以大大的缩减设计的周期。在数字化制造与设计中往往结合软件进行,如CＡＴIＡ，在设计的过程中借助数字化模型板块进行设计。下图概括了我们的样本平均提高百分之报道。

４.2.1 工艺规划的效益

工艺规划是制造业中能够达到高效生产的关键。从过去看，制造过程规划手册，主要基于以前规划者积累的经验和知识。他们通常在产品进行之后才进行相应的工艺的规划。这种有先后顺序方法具有明显的弱点，因此并行工程应运而生,使产品和工艺规划同时进

行。大多数数字化制造技术组成模块都围绕这个核心制造过程中的作用而设计。软件设计工具中,如DELＭＩA，工艺工程师,支持在并行工程环境的工艺规划。下图基于CＩMdａta 的研究，概括了使用数字化制造软件支持端口并行工程所取得的主要成效。

图二（成本节约1５% ，时间节约4０％)

4.2.３业务规划和生产效益

数字化制造的实施最典型的优势就在于产品的规划和生产。生产线建模与仿真的装配业务，可以使企业实现大幅度的改善。例如,模拟可以帮助减少碰撞和装配问题。虚拟碰撞可以检测出用户在真正进行生产时的碰撞干涉问题。模拟装配业务，可以帮助验证或更改操作序列，以提高营运效率。

总体而言,企业可以得到实实在在的好处，从总的数字化进程,终端对终端的集成的P ＬM解决方案，包括重新对管理模块的建立。基于CＩＭｄａta的研究结果，下图显示结果可以看出,可以缩减上市时间３0%,提高生产吞吐量１５%,并降低生产成本1３% 。

5.数字化设计及仿真的意义

在全球经济一体化建设进程不断加剧与城市化建设规模持续扩大的推动作用之下,制造行业在整个国民经济建设发展中所占据的地位日益关键。信息化、产业化以及科技化已

成为整个现代制造行业建设发展的必然方向与趋势，数字化设计系统在这一过程当中所起到的重要作用不可忽视。

５.１数字化设计技术的意义

1)数字化设计技术是整个产品数字化设计流程的前提

它以设计流程预期目标的完成为基本目的，以动态且有序的行为序列设计为基本手段，对各项设计行为的开展起到一定程度的规范及承接作用。

2)数字化设计技术是整个产品设计流程的基础

在设计内容的开展及完成过程当中，参与对象所必须做出的判断、必须相应的对策以及必须采取的设计行为都归属于设计行为片段范畴当中。一个独立的设计行为链能够同时包含多个设计行为片段，各个设计行为片段所完成确定的设计内容有所不同，同时为具体性设计结果的获取服务。

5．2 数字化仿真的意义

数字化仿真是一项综合应用技术,它对教学、科研、设计、产生、管理、决策等部门都有很大的应用价值,为此世界各国均投入了相当多的资金和人力进行研究。其重要性具体体现在以下几个方面：

1)从广义上讲,数字化仿真本身就可以看作一种基本试验。而数值模拟在某种意义上比理论与试验对问题的认识更为深刻、更为细致,不仅可以了解问题的结果，而且可随时连续动态地、重复地显示事物的发展,了解其整体与局部的细致过程。

2)数字化仿真可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易为人理解和分析;还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。如弹体在不均匀介质侵彻过程中的受力和偏转；爆炸波在介质中的传播过程和地下结构的破坏过程。同时,数字化仿真可以替代一些危险、昂贵的甚至是难于实施的试验，如反应堆的爆炸事故，核爆炸的过程与效应等。

3)数字化仿真促进了试验的发展,对试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位臵、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。侵彻、爆炸试验,费用是极其昂贵的，并且存在一定的危险,因此数字化仿真不但有很大的经济效益,而且可以加速理论、试验研究的进程。

4)一次投资，长期受益。虽然数字化仿真大型软件系统的研制需要花费相当多的经费和人力资源,但和试验相比,数字化仿真软件是可以进行拷贝移植、重复利用,并可进行适当修改而满足不同情况的需求。

总之,数字化仿真已经与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺少的手段。正如美国著名数学家拉克斯(P. Lax）所说“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。”

6.结束语

设计与制造技术是关系到国家生存和繁荣的重要基础,它的水平与制造业的发达程度突出反映了一个国家、一个地区的经济实力和综合国力，人民的生活水平和生活质量，国防能力和社会发展程度。该项技术因涉及到产品研制、开发、生产、服务等多个方面,具有无所不在的独特性和不可估量的影响。近年来,工业发达国家和一些新兴工业化国家把发展制造技术作为一项极其重要的发展战略或政策,把它列为国家中长期发展的重大关键技术，将其看作是经济增长的根本动力之一,以国家行为的方式对其进行规划、资助、协调与管理,并对制造技术和制造工业进行认真研究、开发和应用。

进入21世纪，制造技术的发展将随着市场的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的信息化、科学化和服务化的趋势，数字化设计及仿真技术正是体现了网络化、数字化、信息化的综合利用。数字化以其柔性好、响应快、质量高、成本低，正在成为先进制造技术的核心。因此，必须从战略的高度大力开展数字化设计与制造技术的研究开发和加速用数字化设计与制造技术改造传统制造业,这必将对21世纪正在形成的“中国制造”世界制造中心乃至整个世界制造业产生不可估量的影响和巨大的促进作用。

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