論數(shù)字化設(shè)計(jì)及仿真

摘要：數(shù)字化設(shè)計(jì)推動(dòng)信息化進(jìn)程向前發(fā)展，而仿真則是驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效手段。在現(xiàn)代制造企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真一直是不可或缺的兩個(gè)工具，在縮減經(jīng)費(fèi)、縮短開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大作用。從數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真兩個(gè)方面介紹其發(fā)展歷程、在制造業(yè)中的現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化設(shè)計(jì)；仿真；虛擬樣機(jī)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198(2010)11-0298-02

我國(guó)工業(yè)信息化經(jīng)歷了多年的發(fā)展，從過(guò)去的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理等所使用的文件都是紙張式發(fā)展到現(xiàn)在計(jì)算機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)，CAD／CAPP／CAM／MRP／ERP等數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在企業(yè)中廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品信息化正積極推動(dòng)著工業(yè)化的發(fā)展。產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真能大幅提高企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開(kāi)發(fā)成本等，大大提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，包括三維建模、裝配分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品信息管理、虛擬設(shè)計(jì)制造與仿真、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通訊等，是一項(xiàng)多學(xué)科的綜合技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)輔助下通過(guò)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，全面模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配、制造等過(guò)程。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程

(1)CAx工具的廣泛應(yīng)用。各種CAD／CAM工具自20世紀(jì)50年代開(kāi)始出現(xiàn)，并逐步應(yīng)用到制造業(yè)中，制造業(yè)已經(jīng)開(kāi)始利用現(xiàn)代信息技術(shù)來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這標(biāo)志著數(shù)字化設(shè)計(jì)的開(kāi)始。

(2)并行工程思想的提出與推行。并行工程作為一種新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的理念，在20世紀(jì)80年代后期提出，它吸收了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的成果，成為產(chǎn)品數(shù)字設(shè)計(jì)的重要手段，是在現(xiàn)代信息技術(shù)作為背景支持下對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方式的一種根本性改進(jìn)。PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)技術(shù)及DFx(如DFM、DFA等)技術(shù)是并行工程思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的具體體現(xiàn)。

(3)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛而深刻，由原先的局部應(yīng)用(單領(lǐng)域、單點(diǎn))逐步擴(kuò)展到系統(tǒng)應(yīng)用(多領(lǐng)域、全生命周期)。虛擬樣機(jī)技術(shù)正是這一發(fā)展趨勢(shì)的典型代表。虛擬樣機(jī)也被稱為數(shù)字化功能樣機(jī)，同時(shí)虛擬樣機(jī)技術(shù)也是一門綜合學(xué)科的技術(shù)，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析和控制理論為核心，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析集成起來(lái)，建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以快速建立包含控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)，并對(duì)產(chǎn)品的多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估，在設(shè)計(jì)中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。美國(guó)的波音777客機(jī)便是世界上首個(gè)以無(wú)圖方式研發(fā)和制造的飛機(jī)，虛擬樣機(jī)技術(shù)在整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配、評(píng)估環(huán)節(jié)發(fā)揮著及其重要的作用，并確保產(chǎn)品最終一次拼接成功。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)的應(yīng)用

目前已經(jīng)有很多成熟的商業(yè)CAD、CAE軟件在航空航天、機(jī)械電子、汽車制造、工程機(jī)械、造船、鐵路等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三維CAD設(shè)計(jì)方面有Pro／Engi—neer、UG、SolidWorks、SolidEdge等；結(jié)構(gòu)分析軟件有AN—SYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等；運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件有ADAMS等軟件；控制系統(tǒng)仿真軟件有MATH—WORKS公司的MATLAB等軟件。這些成熟的商業(yè)軟件都有著非常廣闊的市場(chǎng)和非常龐大的客戶群，同時(shí)市場(chǎng)需求也促使這些CAD、CAE軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換相互兼容，我們可以在三維CAD軟件中進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，然后傳人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件中進(jìn)行分析，然后將變量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)仿真軟件中對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。這樣我們就可以不斷對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估、優(yōu)化和完善，而這一切都是在計(jì)算機(jī)數(shù)字化下完成，為企業(yè)節(jié)約了大量時(shí)間和縮減了大幅開(kāi)發(fā)成本。而這又讓數(shù)字化設(shè)計(jì)在減少設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)物模型的制造和易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的并行化的兩大優(yōu)點(diǎn)在企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中完美體現(xiàn)。

數(shù)字化設(shè)計(jì)推動(dòng)信息進(jìn)程向前發(fā)展，而仿真則是驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效手段。仿真作為工業(yè)社會(huì)由純機(jī)械化向信息化時(shí)代前進(jìn)過(guò)程中的產(chǎn)物，在航空、航天、國(guó)防、其他工業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品之類方面發(fā)揮出巨大的潛力，促使仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，歷程大概可分為以下幾個(gè)階段：

(1)發(fā)展階段：二次大戰(zhàn)末期，火炮控制與飛行控制動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的研究促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代研制成功第一臺(tái)通用電子模擬計(jì)算機(jī)。50年代末期到60年代，導(dǎo)彈和宇宙飛船的姿態(tài)及軌道動(dòng)力學(xué)的研究、仿真技術(shù)在阿渡羅登月計(jì)劃及核電站的廣泛應(yīng)用、以及50年代末第一臺(tái)混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于洲際導(dǎo)彈的仿真，促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展。

(2)成熟階段：70年代中期，在軍事需求推動(dòng)下，仿真技術(shù)得到迅速發(fā)展，并從軍事領(lǐng)域向其他領(lǐng)域擴(kuò)展。在這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了用于培訓(xùn)民航客機(jī)駕駛員和軍用飛機(jī)飛行員的飛行訓(xùn)練模擬器和培訓(xùn)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作人員的仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品，相繼出現(xiàn)了一些從事仿真設(shè)備和仿真系統(tǒng)生產(chǎn)的專業(yè)化公司，例如美國(guó)的GSE公司、Es公司、ABB公司、Dyneties公司等，使仿真技術(shù)形成產(chǎn)業(yè)化。

(3)高級(jí)階段：20世紀(jì)80年代初以美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)和美國(guó)陸軍共同制定和執(zhí)行的SIMNET(Simulation Networking)研究計(jì)劃和美國(guó)三軍建立先進(jìn)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)室為標(biāo)志，仿真技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的高級(jí)階段。

3 中國(guó)仿真技術(shù)上市場(chǎng)的特點(diǎn)的現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展革新，仿真技術(shù)已經(jīng)形成一門獨(dú)立的科學(xué)體系，包括：由仿真建模理論、仿真系統(tǒng)理論和仿真應(yīng)用理論構(gòu)成的理論體系；由系統(tǒng)、模型、應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)綜合而成的理論基礎(chǔ)；由基于相似原理的仿真建模，基于整體論的仿真系統(tǒng)構(gòu)建和全系統(tǒng)、全生命周期、全方位的仿真應(yīng)用綜合而成的方法論。那么我國(guó)仿真產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r如何?2007中國(guó)(上海)國(guó)際仿真工業(yè)展覽會(huì)組委會(huì)曾歷時(shí)兩年做過(guò)一次“中國(guó)仿真產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀”的市場(chǎng)調(diào)查，調(diào)查顯示中國(guó)仿真市場(chǎng)存在如下特點(diǎn)：

(1)科技含量高、市場(chǎng)潛力大、學(xué)術(shù)性強(qiáng)是目前中國(guó)仿真市場(chǎng)的主要特點(diǎn)。

(2)仿真屬于高科技領(lǐng)域，企業(yè)主要集中在國(guó)內(nèi)大中型城市。

(3)中國(guó)仿真軟件目前主要銷售市場(chǎng)仍然集中在國(guó)內(nèi)。

(4)中國(guó)仿真企業(yè)普遍年輕，其中以1990～2000年及2004年后為主。

(5)從事仿真技術(shù)的企業(yè)普遍樂(lè)觀，對(duì)仿真行業(yè)市場(chǎng)有很大信心，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)較小。

計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)面向產(chǎn)品的仿真。包括產(chǎn)品的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能分析，可制造性分析，可裝配性分析。

(2)面向裝配工藝和裝備的仿真。

(3)面向生產(chǎn)管理的仿真。我國(guó)研發(fā)的有南開(kāi)大學(xué)的JobShop調(diào)度仿真軟件，清華大學(xué)與航天部204所等單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)的FASE，以及在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的智能規(guī)則調(diào)度系統(tǒng)等。

(4)面向制造企業(yè)其他環(huán)節(jié)的仿真。

目前制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，各國(guó)和各行業(yè)廣泛研究和應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)，促使仿真技術(shù)的領(lǐng)域空前擴(kuò)大，目前已從傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域擴(kuò)展到產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)甚至銷售領(lǐng)域。在社會(huì)生產(chǎn)力水平的大幅提高和市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快步發(fā)展，仿真技術(shù)必將沿著跨專業(yè)多學(xué)科協(xié)同仿真、能提供建模一運(yùn)算一數(shù)據(jù)處理一數(shù)據(jù)傳遞的更大平臺(tái)、整合和細(xì)分市場(chǎng)、更加智能化、能提供豐富的二次開(kāi)發(fā)功能的趨勢(shì)發(fā)展。而數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真也將隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、模擬仿真制造和評(píng)估中扮演著越來(lái)越重要的角色，并在工業(yè)信息化和平臺(tái)化的今天扮演著越來(lái)越重要的角色。