面向并行工程的虛擬樣機設計方法研究

李瑞濤

(金蜂通信有限責任公司，北京 100083)

隨著21世紀世界經濟和科學技術飛速發展，全球性的市場競爭日益激烈。產品消費結構不斷向多元化、個性化方向發展。面對無法預測、持續發展的市場需求，面對現代高技術產品的設計復雜性障礙，產品設計生產部門非常需要能有效地提高產品設計質量、縮短產品研發周期、降低產品研發成本。

由于產品設計階段決定了70%以上的產品成本，而設計階段的費用占產品成本的10%~15%，因此，產品設計階段采用的方法在產品研發全過程中占有重要的地位。本文就傳統產品設計與研發中存在的弊病，分析了并行工程對產品設計的要求，提出了虛擬樣機設計方法，并構筑了該方法的模型框架[1-3]。

1 虛擬樣機與并行工程

20世紀90年代，出現了一種新的產品生命周期管理方法，通過建立在企業不同職能部門之間協作基礎之上的并行運行方式來取代連續的、泰勒式的任務處理方式。把時間作為關鍵因素，以縮短產品上市時間為目標，全方位地解決從設計到產品報廢的整個產品生命周期所用時間問題，這種管理過程就是并行工程CE(Concurrent Engineering)或同步工程(SE)。CE是形成產品開發過程的一種指導方案，其目標就是使產品決策盡可能早地進行，而不是在產品開發之后的產品制造階段和使用階段才發現是正確的或錯誤的。這樣可進行無資源浪費地錯誤修改，使得開發產品不同零組件的工作盡可能平行進行，并且產品規劃和過程計劃相互之間不斷協調。CE應將以前只能通過順序的運行過程連接的工廠部門引導至交互地解決問題。并行設計是產品設計及其相關過程并行地實施，使設計及相關過程并行化、一體化、系統化的工作模式。這種工作模式力圖使開發者從一開始就考慮到產品的生命周期。并行工程的工作重心是產品并行設計，并行設計工作模式是在產品設計的同時考慮其相關過程，包括加工工藝、裝配、檢測、質量保證、銷售、維護等。在并行設計中，產品開發過程的各階段工作交叉進行，可及早發現與其相關過程不相匹配的地方，并及時評估、決策，以達到縮短產品開發周期、提高質量、降低成本的目的。

隨著信息技術、網絡技術的發展，現代設計技術向集成化、敏捷化、網絡化、虛擬化的方向進一步發展，出現了精益生產、敏捷制造、擬實制造、大批量定制生產等多種生產模式，這些都是以并行工程和并行設計為基礎的。虛擬樣機這一新技術正是在這樣的背景下應運而生。

所謂虛擬樣機就是在建造第一臺(或件)物理樣機之前，利用軟件技術建立的數字化模型，即虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產品的特性，包括外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性。通過對虛擬樣機采用基于實體可視化的仿真分析，模擬該系統在真實工作環境條件下的運動和動力特性，從而反復修改設計方案，最終得到最優設計方案。它利用虛擬環境在可視化方面的優勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對產品進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。并在CAD模型的基礎上，把虛擬技術與仿真方法相結合，為產品的研制提供了一個全新的設計方法。

虛擬樣機集成了CAD建模技術、CSCW技術、用戶界面設計、基于知識的推理技術、虛擬現實技術、計算機仿真方法論、現代管理理論、系統工程方法以及計算機支持工具等，為產品的全壽命周期設計和評估提供分布式的集成化環境，從而達到縮短研發周期、降低成本、提高效率的目的。這項技術將建模和仿真擴展到新產品研發的全過程，它以計算機支持的協同工作(CSCW)為底層技術基礎，通過支持協同工作、CAD、CAM、建模仿真、效能分析、可視化、虛擬現實的計算機工具，將各個集成化產品小組(ITP)的設計人員、分析人員聯系在一起，共同完成新產品的概念探討、運作分析、初步設計、詳細設計、可制造性分析、效能評估、生產計劃和生產管理等工作。

目前世界范圍內廣泛地接受了動態聯盟(Virtual Company)的概念，即為了適應快速變化的全球市場，克服單個企業資源的局限性，出現了在一定時間內，通過Internet(或Intranet)臨時締結成的一種虛擬企業。為實現并行設計和制造，參盟企業之間的產品數據要求敏捷交流，各種信息共享尤顯重要。在并行設計環境中，由于不同設計階段需要同時進行，每個階段生成(或需要)的數據，在沒有完成設計之前是不完整的，而數據模型和數據共享的管理成為并行設計的關鍵技術之一。而且，設計過程中，更改總是不可避免的，所以支持并行工程和并行設計需要有一個產品設計主模型以完成快速交流，并能將產品設計數據定義成多個對象。這些對象的組合可以構成面向不同應用領域對象，各個設計過程在同一個設計主模型上操作，保證數據模型的一致性和安全性。而虛擬樣機正能滿足上述要求，如見圖1所示。

圖1 支持并行工程的信息共享-虛擬樣機

2 虛擬樣機設計方法

針對上述情況，本文提出了基于虛擬樣機的產品研發方法PDBVP(Product Developing Based on Virtual Prototyping)。從PDBVP的流程中可以看出，設備虛擬樣機的開發是一個非常重要的環節。實施虛擬樣機設計方法的核心是開發切合實際的虛擬樣機，即深入理解系統零部件之間的運動學和動力學關系，并實現數字化，如圖2所示。為此，本文構筑了以基于可視化的機械動力學仿真為核心的虛擬樣機及虛擬試驗設計方法一體化解決方案，如圖3所示。

圖2 基于虛擬樣機的產品研發(PDBVP)流程圖

圖3 虛擬樣機設計方法一體化解決方案

該設計方法一體化解決方案表述如下：

(1)在開始實際產品的三維設計前，首先是方案的選擇和確定，也可以運用運動學/動力學分析軟件進行產品的概念設計，這樣能幫助設計師在開始設計前迅速驗證運動系統的運動原理，確定和優化運動系統的一部分設計參數。可選擇的軟件有：ADAMS/view、MSC/Working Model 2D等。

(2)設計師在確定方案、獲得產品的設計原理和運動參數后，就可以利用三維CAD軟件進行三維幾何模型的構造設計，并利用產品數據管理(PDM)軟件系統實時監控整個產品的設計過程、自動管理設計過程的電子文檔。推薦使用的三維CAD軟件有I-DEAS、HELIX、PRO/Engineer、UG、MDT、SolidWorks、SolidEdge、Cimatron 等 ； 推薦使用的產品數據管理 (PDM)軟件有SDRC公司的Metaphase、HP 公 司 的 WorkManager、IBM 公 司 的 PM、Autodesk 公司的WorkCenter、SuperSky-Master。

(3)產品的三維模型設計完成后，可以通過圖形交換接口將CAD三維模型傳入動力學和運動學仿真軟件，也可以通過具有自動約束映射技術 (ACM)的軟件，如MSC/Working Model把三維模型輸出到仿真軟件中進行虛擬樣機的開發工作。之后最重要的兩項工作就是運動激勵的產生和各種動力特性的施加，推薦使用的仿真軟件有 ADAMS、DADS、Working/Model， 與流體有關的仿真軟件有 Phoenics、Flow3D，控制仿真軟件有 Matlab、Matrixx。

(4)產品的虛擬樣機開發完成后，可進行虛擬試驗(即基于可視化的動力學和運動學解算及仿真)，從虛擬試驗的結果不僅可以得到產品運動的動畫、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗機構運動是否合理、是否出現干涉、卡死的結果，還可以得到各零部件實際所受的各種載荷。根據虛擬試驗的結果可以判斷開發的虛擬樣機的準確性，如果不符合要求，重復上一步；如果符合要求，則進行下一步。

(5)得到正確運動特性和動力特性的虛擬樣機后，便進行虛擬樣機的尋優工作。建立優化數學模型的工作包括：虛擬樣機參數化、確定設計變量、確定目標函數、確定約束函數。尋優結束后，對優化的虛擬樣機進行虛擬試驗，并存儲虛擬試驗結果。

(6)有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷自動傳遞給有限元分析軟件進行零件的強度、振動、屈曲等分析，以獲得零件的應力、應變分布、位移以及固有頻率和振型等。有限元分析的結果可以返回設計階段并指導修改初始設計，也可以將關鍵零件經剛體彈性化后返遞回仿真環境，再度開發虛擬樣機及進行虛擬試驗，以便能得到更加符合實際的結果。推薦使用的有限元軟件有 SAPV、ADINA、ANSYS、Nastran、Working Model/FEA、I-DEAS/FEA。

(7)利用產品數據管理(PDM)軟件系統(如 SuperSky－Master)系統可以自動統計該產品零部件的質量、數量等統計信息，生成各種專業的報表，并輸出匯總成BOM(產品物料清單)表，作為其他工藝設計系統(CAPP)和企業管理系統(MIS)的數據來源。

(8)得到最優的虛擬樣機后，也可以通過三維CAD系統將創建的產品三維模型直接輸出到CAM軟件 (例如英國Pathtrace公司推出的可以在MDT內部運行的數控代碼自動編程軟件EdgeCAM)中進行數控代碼的生成和加工仿真，確認無誤后可以驅動數控機床進行加工。

基于可視化集建模、分析、尋優、再設計的虛擬樣機設計方法一體化解決方案的中心思想是讓用戶在虛擬環境中實現CAD/CAE/CAM/PDM協同作業。用三維CAD系統為產品構造幾何模型及產品的虛擬樣機，并通過虛擬試驗分析仿真虛擬樣機的運動學和動力學特性，對其性能進行測試和評估，依據試驗結果修改產品的虛擬樣機，不斷循環直至最優。從最初的產品三維虛擬樣機的設計、分析仿真到最終的實物樣機加工的整個過程，都可以在統一的過程中全部完成，為真正實現產品設計/分析/加工/管理的一體化提供了重要的依據。

本文圍繞產品從概念設計到定型生產的整個研發周期，再從設計師、決策層、制造商、銷售商到用戶群等全方位地觀察和研究產品，虛擬樣機設計方法顯示了其強大的優勢和發展潛力。面向21世紀，虛擬樣機設計方法勢必成為將來產品研發的主流。

[1]李瑞濤，方湄，張文明.虛擬樣機技術的概念及應用[J].機電一體化，2000(9)：17-19.

[2]Li Ruitao， Fang Mei， Zhang Wenming， et al.Simulation research on vertical planetary mill based on virtual prototyping [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2001(2)：86-90.

[3]施普爾，克勞舍.虛擬產品開發技術[M].寧汝新，等譯.北京：機械工業出版社，2000.