虛擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究綜述

羅競

（綿陽廣播電視大學(xué)，四川 綿陽 621000）

現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)品市場競爭越發(fā)激烈，市場對(duì)產(chǎn)品價(jià)格、外觀和更新的要求更加嚴(yán)苛。原有的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法存在著成本高、設(shè)計(jì)周期長、修改麻煩等問題，已不能順滿足需要。而運(yùn)用數(shù)字虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)，是用以三維數(shù)字仿真模型作為設(shè)計(jì)構(gòu)思的基礎(chǔ)，來正確體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意。

作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)者我們要想讓仿真技術(shù)得以應(yīng)用，就要做到以下幾點(diǎn)：①虛擬仿真要有一定的可信度，這樣結(jié)果才能有可信數(shù)據(jù)，得以引用。②仿真結(jié)果能夠在一定合理的時(shí)間限度里獲得。③有真實(shí)的建模/仿真工具配合，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者能夠運(yùn)用仿真模型，運(yùn)用虛擬仿真并得到結(jié)果。本文查閱了近10年的有關(guān)虛擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用的相關(guān)研究論文，從虛擬仿真的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、虛擬仿真研究的熱門領(lǐng)域等方面對(duì)虛擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和歸納整理，論述常規(guī)方法和基本概念，并試圖探究新的突破作為未來的研究方向。

1 虛擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

即為什么要研究虛擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，總是設(shè)計(jì)簡單的模型及公式，由此設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)，以為局限和預(yù)留誤差等原因，結(jié)果導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而影響設(shè)計(jì)效果。而虛擬數(shù)字仿真技術(shù)完全可以模擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的實(shí)際情況，這樣我們?nèi)绻诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)初級(jí)就引入這種虛擬仿真手段，就能全方位解析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、電磁力及散熱等數(shù)據(jù)，從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種參數(shù)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，利用數(shù)字化虛擬手段來呈現(xiàn)真實(shí)的效果，這個(gè)過程就叫做引入數(shù)字虛擬仿真。數(shù)字虛擬仿真大體包括：產(chǎn)品形態(tài)仿真、顏色材質(zhì)仿真、機(jī)械動(dòng)作仿真、人體工學(xué)仿真、工藝制作仿真等。在整個(gè)設(shè)計(jì)各階段引入虛擬數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行科學(xué)的試驗(yàn)，從而可以得到更科學(xué)和客觀的結(jié)果。因此，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，虛擬仿真技術(shù)不斷從設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量各方面進(jìn)行了突破。

2 虛擬仿真研究的熱門領(lǐng)域

2.1 CAE仿真

CAE（Computer Aided Engineering）即是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程，用虛擬仿真的技術(shù)來分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)及優(yōu)化性能等，把產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)組織起來，將關(guān)鍵的信息收集起來，而運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題的解決中。CAE技術(shù)的引入大量代替了傳統(tǒng)的試件和試驗(yàn)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)者開發(fā)產(chǎn)品提供了快捷、高效又準(zhǔn)確的各項(xiàng)產(chǎn)品性能和指標(biāo)。

2.2 CFD仿真

CFD（Computational Fluid Dynamics）即指計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，是流體力學(xué)和數(shù)值數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)的交叉科學(xué)，也是目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)里的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，如今已經(jīng)應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)生物、航空科技等方面。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程從設(shè)計(jì)雛形到投入生產(chǎn)，往往需要大量的試驗(yàn)和成本用于開發(fā)試驗(yàn)，使得成本居高不下，而CFD仿真技術(shù)的出現(xiàn)，使得可以用虛擬數(shù)值分析的數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的產(chǎn)品驗(yàn)證，從而降低了產(chǎn)品的試驗(yàn)成本和研發(fā)周期。

2.3 人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的仿真應(yīng)用

人機(jī)工程學(xué)（Ergonomics），性質(zhì)屬于對(duì)人體特征研究的學(xué)科，也是一門對(duì)人、機(jī)、環(huán)境三者之間的相互作用進(jìn)行研究的學(xué)科。產(chǎn)品設(shè)計(jì)除了考慮前面說的成本和開發(fā)周期等因素外，作為最終為產(chǎn)品使用的使用者而言，也要引入人機(jī)工程學(xué)技術(shù)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中去。通過產(chǎn)品虛擬仿真技術(shù)結(jié)合人體工程學(xué)，從而判斷產(chǎn)品是否符合人體工程的要求。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，只有產(chǎn)品的成品投入使用才能得到數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，不但費(fèi)用成本高，而且設(shè)計(jì)周期長。而在利用了人機(jī)工程學(xué)的仿真技術(shù)中，設(shè)計(jì)者可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)并不斷檢驗(yàn)?zāi)康某晒?/p>

3 仿真應(yīng)用的領(lǐng)域

如今仿真技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展，人們已經(jīng)把它運(yùn)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域，比如：化工熱能、汽車動(dòng)能、智能機(jī)器、航空航天等。

3.1 單個(gè)領(lǐng)域方面

（1）同機(jī)械系統(tǒng)相關(guān)的仿真：主要有空氣動(dòng)力學(xué)仿真、多體動(dòng)力學(xué)仿真、碰撞仿真、結(jié)構(gòu)分析仿真等。這些仿真技術(shù)都是通過對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)（如碰撞性、力學(xué)特性、可操作性）的仿真數(shù)值分析，從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果。

（2）控制系統(tǒng)仿真：是技術(shù)控制人員在開發(fā)產(chǎn)品控制系統(tǒng)時(shí)常用的。主要是通過簡化被控的系統(tǒng)模型，來構(gòu)建控制系統(tǒng)。

（3）電子系統(tǒng)仿真 ：虛擬仿真技術(shù)在電子系統(tǒng)中也得到了廣泛的設(shè)計(jì)應(yīng)用。最常見的是現(xiàn)在流行的電子仿真平臺(tái)，它是采用電路語言來描述電路的電子結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性對(duì)電路進(jìn)行虛擬，使得設(shè)計(jì)者能通過設(shè)置平臺(tái)的參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并根據(jù)仿真數(shù)值結(jié)果來檢驗(yàn)電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性。因此，虛擬仿真技術(shù)在電子系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠簡化我們的電路設(shè)計(jì)過程，還能對(duì)電路設(shè)計(jì)的虛擬產(chǎn)品進(jìn)行仿真運(yùn)行，從而完成一系列的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

3.2 多領(lǐng)域方面

虛擬仿真技術(shù)在單個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要偏重于電子、機(jī)械等單個(gè)領(lǐng)域，而在現(xiàn)代科技高速發(fā)展的今天，更多的是多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，如像熱能化工、航空航天、汽車等領(lǐng)域，在這些產(chǎn)品中需要整合不同領(lǐng)域的子系統(tǒng)，如：電子系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等，將各領(lǐng)域的子系統(tǒng)構(gòu)建成一個(gè)整體進(jìn)行虛擬仿真。

4 虛擬仿真的基本流程

4.1 三維數(shù)字建模

三維數(shù)字建模即是使用虛擬仿真的計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)行三維建模，將傳統(tǒng)的工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案、草圖等各種參數(shù)，構(gòu)成可用于設(shè)計(jì)的后續(xù)處理成品所需的三維數(shù)字模型。常用的數(shù)字建模有下面幾種方式：第一，在AutoCAD中繪制平面圖，并將繪制圖形導(dǎo)入三維軟件中進(jìn)行放樣、拉伸等操作，從而由二位線生成三維體結(jié)構(gòu)。第二，產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過準(zhǔn)確及全面的參數(shù)設(shè)置來構(gòu)建實(shí)體。第三，構(gòu)建拓?fù)鋮⒖紙D，先利用手繪或草圖，然后導(dǎo)入到三維軟件中來設(shè)置。第四，利用建模軟件進(jìn)行建模，如Polygon和Subdiv等，最后轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品設(shè)計(jì)成果。

4.2 設(shè)定色彩及材質(zhì)表現(xiàn)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中如何設(shè)定色彩，主要考慮以下方面：產(chǎn)品的原色、環(huán)境色、光源色等，這些都可以通過材質(zhì)模塊編輯進(jìn)行仿真，如可利用材質(zhì)的透明度、顏色、周邊環(huán)境、折射等屬性來模擬現(xiàn)實(shí)中的各種材質(zhì)體現(xiàn)。還可添加不同的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)來虛擬毛皮、砂石等各種特殊材質(zhì)，從而仿真體現(xiàn)各種材質(zhì)。

4.3 動(dòng)畫仿真處理

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也需要用虛擬仿真的手段用于動(dòng)畫仿真處理，主要有裝配過程中的仿真。利用虛擬的三維軟件可以制作動(dòng)畫模塊，從而輕松實(shí)現(xiàn)仿真動(dòng)畫，這與靜態(tài)圖不同，比如：在動(dòng)畫中把產(chǎn)品組裝的過程制作成關(guān)鍵幀，一直到最終渲染成動(dòng)態(tài)視頻，這樣設(shè)計(jì)者就能通過瀏覽生成的視頻文件校驗(yàn)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和組裝運(yùn)行。

5 結(jié)語

通過虛擬仿真建模及運(yùn)行，我們可以獲得對(duì)產(chǎn)品的一個(gè)完整認(rèn)識(shí)。但是作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)者，我們還要考慮如何正確地評(píng)估產(chǎn)品，如何為仿真建模提供準(zhǔn)確的反饋，這些都將是產(chǎn)品設(shè)計(jì)能否成功的重要依據(jù)。也就是說這些對(duì)我們以后如何快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行仿真建模是一個(gè)挑戰(zhàn)。虛擬仿真技術(shù)的引入，不僅改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段，更使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了質(zhì)的飛躍。

盡管目前虛擬仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已有豐碩的研究成果，也得到較為廣泛的應(yīng)用，但在今后的研究中我們還可以找到新的突破口，例如：可以開發(fā)出適合實(shí)際應(yīng)用的仿真程序新插件，如文獻(xiàn)介紹了利用VB. NET作為開發(fā)工具對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在AutoCAD環(huán)境下的三維零件實(shí)體虛擬拆裝的動(dòng)態(tài)仿真。該方法能夠自動(dòng)完成零件圖的自動(dòng)拆卸和裝配過程的模擬，對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)過程有一定的示范作用。

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