虛擬仿真技術在產品開發中的應用研究

陳 瑋，蘆宏斌，魯茗莉，李衛華

（軍事醫學科學院 實驗儀器廠，北京 100850）

0 引言

當今世界產品結構日益多樣化和個性化，短周期、低成本、高質量以及靈活的市場反應能力成為競爭的重點?，F代工業技術的發展表明，產品的創新是基于知識和信息的創新設計[1]。虛擬仿真技術正是適應產品開發這一發展趨勢而迅速發展起來的、應用非常廣泛的一項高新技術，它將計算機的快速性、準確性以及信息高度集成性和設計人員的創造性思維、綜合分析能力充分地結合起來，實現從產品概念、造型設計、結構設計、機構設計、工程分析、裝配及動畫演示直到工程制造全部過程計算機化，實現產品設計的系統化，縮短產品開發周期，從而創造出實用、經濟、美觀宜人的產品。虛擬仿真技術的應用己經給人們帶來了巨大的社會經濟效益。

虛擬仿真的表現方法有多種，如有數值仿真、可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現實（VR）仿真等。為數值仿真的過程及結果顯示增加文本提示、圖形、圖像、動畫表現，可以使仿真過程更加直觀，結果更容易理解，并能夠驗證仿真過程是否正確[2]。

高度發展的科學技術與代表新世紀潮流的優秀工業設計強強聯手，在經濟競爭中將扮演重要的角色。虛擬仿真技術從多方面改變著傳統的設計方法。一方面，為產品創作提供了新的藝術表現手段；另一方面，它采用以計算機技術為核心的現代高科技，在產品設計過程中為設計師提供實時的、交互的、動態的、主動的，而完全不同于以往的設計方式。

虛擬仿真技術使設計人員、制造者和使用者的信息交互的深度、廣度和速度都得到了很大的提高，符合現代設計技術發展的大趨勢。正是由于仿真技術給工程和科研領域帶來的優勢是巨大的，因此該技術在近些年的發展十分迅速[3]。

1 虛擬仿真技術應用

在許多先進發達國家，近十年先進制造技術的應用與發展都與信息技術緊密相關，而且在實施先進制造技術的過程中，不僅應用了許多現代設計技術，如優化設計、有限元法，計算機輔助設計等，而且總結與提出了許多新的設計理論和技術，如模糊設計、可靠性設計、虛擬設計等等。本文針對虛擬仿真技術中概念設計、產品造型設計、產品結構工程分析（CAE）、運動學以及動力學分析、計算流體力學（CFD）仿真這幾個方面加以闡述。

1.1 概念設計

這一階段工作的核心是創意，設計團隊綜合考慮產品功能、質量、效益、使用要求及制造工藝，提出具有創新性的解決方案，使產品在設計之初，不僅表現在功能上的優越性，而且便于制造，生產成本低，從而使產品的綜合競爭力得以增強。許多發達國家的公司都把設計看作熱門的戰略工具，認為好的設計是贏得顧客的關鍵。

1.2 產品造型設計

產品造型設計是工程技術與美學藝術相結合的一門新學科。它是以所開發產品為對象，從美學、自然科學、經濟學等方面出發，進行材料、構造、加工方法、功能性、合理性、經濟性、審美性的推敲和設計。綜合協調地對產品款式進行塑造和設計。

產品造型是利用CAD系統的三維圖形功能完成的,設計人員在計算機上模擬出所設計產品的外形狀態,產品的創意方案可以通過快速的三維建模、渲染,實現立體設計,并且在形體感覺、形態調整、色彩等方面進行隨時的改變調整,傳統的效果圖失去了原有的地位。在設計之初就對產品進行形態優化，不但可使產品具有優越的品質、最低的消耗和最漂亮的外觀,而且在新產品試投產前,就可以對其制造過程中的結構、加工、裝配、裝飾和動態特征做到恰如其分的分析和檢驗,從而提高了產品設計的一次成型。

在產品設計過程中，設計人員大量的時間、精力可用在分析、評價、調整上,使傳統的設計程序在側重點上有了變化[4]。同時，計算機的內容都是數字化的，文件復制沒有任何損失，這樣對同一設計，其他人也可共享，設計任務也可分階段、分人、分地點完成，大大提高了工作效率。

在產品造型設計的各個階段，利用虛擬數字模型方便、快捷的進行各種調查和實驗，可以取得適用面更廣、更接近真實狀態的實驗數據。建立在實踐基礎上的產品設計工作將更具科學性和客觀性。具體的示例產品表達如圖1、圖2所示。

圖1 產品的二維和三維概念表達方式

圖2 產品三維效果表達方式

1.3 產品結構工程分析（CAE）

隨著計算機技術的發展，有限元法在工程設計和分析中得到了廣泛的應用，有限元的核心思想是結構的離散化，是解決復雜工程問題的有效途徑，合理使用工程分析軟件，可以有效提高產品的設計質量，降低研究開發成本，縮短開發周期。這些工程分析工具使設計技術的表達方法變得容易和方便。這些有助于設計人員進行合理的結構、強度、運動等設計工作。目前，市場上支持產品開發設計的計算機輔助工程分析（CAE）軟件種類較多。比較流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、 ANSYS、 ABAQUS、 MARC、 MAGSOFT、 COSMOS等。

CAE技術主要包括以下三個方面的內容[5]：①有限元法的主要對象是零件級，包括結構剛度、強度分析、非線性和熱場計算等內容；②仿真技術的主要對象是分系統或系統，包括虛擬樣機、流場計算和電磁場計算等內容；③優化設計的主要對象是結構設計參數。

產品開發過程中CAD技術方面工作通常包括以下三個步驟：①使用計算機測試代替昂貴的現場測試，從而減少成本；②減少產品開發周期的次數，從而縮短產品問市時間；③快速模擬多個概念與情景，使用戶在作出最終決定之前有更多思考新設計的時間，從而優化所做的設計。

具體結構強度校核示例如圖3所示。將連續實體劃分為有限單元的過程稱為網格化，有限元素分析程序將模型視為由相互連接的單元組成的網格，在產品設計周期中，有限元分析是用來預測產品在使用過程中將會發生的事情。

圖3 簡化模型圖

1.4 計算流體力學仿真

計算機技術的迅速發展使人們直接求解控制方程組的夢想逐步得到實現，從而催生了計算流體力學這門交叉學科。

計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一門用數值計算方法直接求解流動主控方程 （Euler或Navier-Stokes方程）以發現各種流動現象規律的學科。它綜合了計算數學、計算機科學、流體力學、科學可視化等多種學科。

自20世紀60年代以來CFD技術得到飛速發展，其原動力是不斷增長的工業需求，而航空航天工業自始至終是最強大的推動力。傳統飛行器設計方法試驗昂貴、費時，所獲信息有限，迫使人們需要用先進的計算機仿真手段指導設計，大量減少原型機試驗，縮短研發周期，節約研究經費。

40年來，CFD在湍流模型、網格技術、數值算法、可視化、并行計算等方面取得飛速發展，并給工業界帶來了革命性的變化。如在汽車工業中，CFD和其它計算機輔助工程（CAE）等工具一起，使原來新車研發需要上百輛樣車減少為目前的十幾輛車；目前在航空、航天、汽車等工業領域，利用CFD進行的反復設計、分析、優化已成為標準的必經步驟和手段[6]。具體電腦機箱CFD仿真示例如圖4，圖5所示。

總之，CFD相當于 “虛擬”地在計算機做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。即CFD=流體力學+熱學+數值分析+計算機科學。

圖4 機箱模型

圖5 機箱內氣體溫度場云圖

2 結論

經濟全球化、交流網絡化、設計虛擬化，這是人類在新世紀的未來生活方式。伴隨著計算機軟硬件技術的迅猛發展，作為計算機尖端應用的虛擬仿真技術己經為今天的工業設計師提供了強大的工具。

計算機仿真技術的飛速發展，不僅意味著設計手段的改變，同時改變了工業設計的思維方式。推動著制造業從產品設計、制造到技術管理一系列深刻、全面、具有深遠意義的變革。

產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需要根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。

展望虛擬仿真技術從萌芽到今大的日漸成熟已經走過了相當長的一段歷程。虛擬仿真技術在某種意義上極大的改變人們的思維方式。之前的產品表現形式雖有華麗的外表，但是缺乏對產品空間的系統認識和人機之間的交互。虛擬仿真技術不僅可以提高產品展示的真實性和交互性，而且可以逆向的輔助產品開發設計。

[1]謝友柏，在互聯網上實現合作設計[J].航空制造技術，2001，2.

[2]趙能.虛擬仿真技術在建筑設計中的應用研究[D].湖南：長沙理工大學，2009，5.

[3]陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術的虛擬覆蓋網絡模型研究[D].上海：上海交通大學，2008，1.

[4]劉永翔.產品設計實用基礎[M].北京:化學工業出版社,2003.

[5]魏來生.CAE技術及其在車輛行業的應用[J].CAD/CAM與制造業信息化，2005，6.

[6]尹思藝.用CFD模擬分析優化室內通風效果[J].城市開發，2010，18.