虛擬樣機技術(shù)在我國模具行業(yè)的發(fā)展趨勢與展望

鮑文杰

（盤起工業(yè)（大連）有限公司，遼寧大連 116600）

0 引言

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國模具工業(yè)通過引進國外先進技術(shù)、實行企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)合理調(diào)整，已經(jīng)形成較完整的體系，主要包括：模具設(shè)計研發(fā)部分、模具材料研發(fā)及生產(chǎn)供應(yīng)部分、模具規(guī)格品生產(chǎn)供應(yīng)部分、特注品模具制造商、國家及行業(yè)制定的模具標準體系。由于模具技術(shù)的快速發(fā)展，已在汽車、電子、儀器、儀表、家電、軍工、通信等產(chǎn)品中約80%零部件都需要模具成型加工制造，模具在很大程度上決定著工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、經(jīng)濟效益和研制新產(chǎn)品的能力。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低已然成為衡量一個國家制造能力水平的標準。隨著我國鼓勵和推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、支持戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展等目標對模具技術(shù)水平要求越來越高，如何更快更好地發(fā)展模具水平已經(jīng)成為迫切問題。雖然我國模具技術(shù)水平近幾年來得到了較大提升，但相對于國外先進模具水平還有很大差距，尤其是在模具研發(fā)設(shè)計、制造能力和質(zhì)量水平等方面還存在很大提升空間。

1 我國模具生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算機輔助軟件的快速開發(fā)和高智能化，使高新技術(shù)在模具企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，成為快速推進模具研發(fā)設(shè)計——制造一體化的有力武器。在歐美模具技術(shù)水平先進的國家中，CAD/CAM/CAE技術(shù)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，突顯了以信息技術(shù)帶動模具行業(yè)快速發(fā)展的優(yōu)勢。CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）/CAM（Computer Aided Manufacturing,計算機輔助制造）/CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）技術(shù)的出現(xiàn)使模具設(shè)計制造更加簡便、直觀、快速、準確，擺脫了以往憑經(jīng)驗、用圖板、二維圖紙設(shè)計的初級階段，同時3D模具設(shè)計技術(shù)不僅可以完成2D模具圖紙設(shè)計，還可以通過三維實體模型為NC編程和CAD/CAM的集成化提供十分重要的依據(jù)，3D模具設(shè)計還可以進行虛擬裝配的干涉檢查，保證模具設(shè)計及工藝的合理性。我國很多模具企業(yè)近幾年通過引進國外先進的CAD/CAM系統(tǒng)軟件，達到了模具設(shè)計從二維到三維的轉(zhuǎn)變，大大縮短了模具設(shè)計制造周期，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益的提高。鑒于CAE技術(shù)在國外運用十分成熟并取得良好的效果，我國已經(jīng)有很大部分企業(yè)和專家進行了CAE技術(shù)的引進和研究，推進了我國模具設(shè)計技術(shù)水平的快速發(fā)展。CAE軟件可以對注射模中塑料的沖模、冷卻過程進行模擬仿真分析，預(yù)測注射模成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷問題并進行優(yōu)化；在沖模中，可以通過對沖壓過程模擬仿真，分析金屬在其變形過程中受力變化及損壞、裂變、回彈和壽命等變化。通過CAE技術(shù)在模具設(shè)計中的運用，可以使模具試模時間減少一半以上，縮短模具設(shè)計周期，提高模具制造質(zhì)量。

隨著工業(yè)4.0時代的到來，促使了模具行業(yè)的技術(shù)水平需要更快、更好的發(fā)展，才能滿足人類對制造技術(shù)越來越高的要求。“互聯(lián)網(wǎng)+”時代需要模具產(chǎn)品更加高精度、高質(zhì)量、高效率、長壽命。而單一的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)軟件已經(jīng)不能滿足不斷趨于更加復(fù)雜化、精密化的模具設(shè)計制造，因此，需要對CAD/CAM/CAE系統(tǒng)進行二次開發(fā)來達到市場對模具產(chǎn)品的需求。

2 虛擬樣機技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用

2.1 虛擬樣機技術(shù)概述

虛擬樣機技術(shù)是指通過對CAD/CAM/CAE系統(tǒng)軟件進行二次開發(fā)的數(shù)字化功能樣機技術(shù)。相比于傳統(tǒng)單一的系統(tǒng)仿真軟件，虛擬樣機技術(shù)屬于一種集系統(tǒng)運動學(xué)，多體結(jié)構(gòu)動力學(xué)，控制理論和有限元、離散元等計算機分析技術(shù)于一體的新學(xué)科技術(shù)。與物理樣機試驗相比較，通過虛擬樣機技術(shù)進行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計和可行性預(yù)估，可以很大程度上降低研發(fā)周期與成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。

2.2 虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)勢

（1）傳統(tǒng)的仿真軟件基本都是對單一子系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化，即使將整個系統(tǒng)中的所有子系統(tǒng)都進行了仿真優(yōu)化，最終也無法確保整個系統(tǒng)設(shè)計出的產(chǎn)品性能是可靠性最高的。但虛擬樣機技術(shù)可以很好的解決傳統(tǒng)仿真通過將各優(yōu)化后的子系統(tǒng)簡單裝配成完整系統(tǒng)帶來的弊端，它更注重于整機的協(xié)調(diào)性仿真優(yōu)化，通過對各子系統(tǒng)先進行優(yōu)化，再對虛擬整機與工作環(huán)境進行耦合作用，通過對多種不同的產(chǎn)品設(shè)計方案進行虛擬仿真和測評，不斷的優(yōu)化產(chǎn)品方案，最后選取最優(yōu)的產(chǎn)品設(shè)計方案。

（2）傳統(tǒng)的計算機仿真軟件對產(chǎn)品設(shè)計主要是將整機機構(gòu)、液壓傳動系統(tǒng)、機電控制系統(tǒng)等某一個子系統(tǒng)作為側(cè)重點來逐步獨立設(shè)計分析的，不能更好地將所有子系統(tǒng)之間進行動態(tài)交互連接和協(xié)同仿真，而設(shè)計的不合格產(chǎn)品也只能在產(chǎn)品開發(fā)末期才能驗證出來，不利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。而虛擬樣機技術(shù)可以對整機所有子系統(tǒng)同時進行虛擬仿真并貫穿整個設(shè)計周期，能在產(chǎn)品開發(fā)的前期、中期和后期隨時發(fā)現(xiàn)存在的問題并及時得到解決，可以有效縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

2.3 虛擬樣機技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

最近幾年，虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴大，已經(jīng)由機械制造業(yè)、航天航空行業(yè)、煤炭行業(yè)、軍事國防工業(yè)延伸到人體工程學(xué)、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域。

美國的波音777便是世界上首例從設(shè)計、裝配、可行性評估到可靠性分析全部采用虛擬樣機技術(shù)成功開發(fā)出的產(chǎn)品，相比之前所用的物理樣機試驗研發(fā)，波音777從設(shè)計到制造的周期縮短1/2，總成本節(jié)省了1/4，而且保證了產(chǎn)品的最終拼裝一次性成功。著名機械廠商John Deere公司的工程師利用虛擬樣機技術(shù)解決了設(shè)備在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的蛇行現(xiàn)象和重載時自振問題，而且通過在虛擬樣機上進行設(shè)計優(yōu)化，極大提高了設(shè)備的性能，而此前使用的傳統(tǒng)方法一直沒有分析出其產(chǎn)生原因。同樣在數(shù)控機床產(chǎn)品的研發(fā)方面，我國大部分企業(yè)使用傳統(tǒng)方法設(shè)計，其設(shè)計時間約占總開發(fā)周期的40%，而國外同類機床產(chǎn)品使用虛擬樣機技術(shù)所用的設(shè)計時間約占總開發(fā)周期的25%，僅在開發(fā)周期方面就極大降低了我國數(shù)控機床的市場競爭力。我國在煤炭機械設(shè)計領(lǐng)域也已經(jīng)開始使用虛擬樣機技術(shù)，不僅縮短了研發(fā)周期，更提高了采煤機在井下作業(yè)的可靠性和安全性，為煤炭企業(yè)節(jié)約了一大筆開支。2017年5月我國國產(chǎn)大飛機C919首飛便取得成功，其中便應(yīng)用了虛擬樣機技術(shù)對整機總體的研發(fā)設(shè)計進行有效指導(dǎo)，不僅節(jié)省開發(fā)成本，更縮短了開發(fā)周期，突顯我國航天技術(shù)的突飛猛進。

3 虛擬樣機技術(shù)在模具工業(yè)中的發(fā)展趨勢

虛擬樣機技術(shù)目前更多的是應(yīng)用于工程機械領(lǐng)域，其在模具領(lǐng)域中應(yīng)用卻很少：一是模具企業(yè)以中小企業(yè)居多，資金有限，若非特殊需要，基本不會在虛擬樣機技術(shù)方面做投資，大部分使用的是傳統(tǒng)的模具設(shè)計方法；二是以往消費者對產(chǎn)品的需求基本都是標準化，往往一類模具就可以使用很久，不需要重新設(shè)計，所以無需使用虛擬樣機技術(shù)進行新產(chǎn)品開發(fā)。但新時代的到來，使人們的消費理念發(fā)生了根本的變化，人們更喜歡購買具有個性化甚至定制的產(chǎn)品，這就迫使模具企業(yè)需要保證質(zhì)量的前提下不斷縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期以滿足消費者的需求。個性化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，極大地促進了模具工業(yè)的發(fā)展，拉動了整個模具工業(yè)的經(jīng)濟增長，但同時也要求模具企業(yè)要在短時間內(nèi)設(shè)計出滿足客戶需求的模具產(chǎn)品，這對于中小模具企業(yè)來說，既是個發(fā)展的機遇，又是個嚴峻的挑戰(zhàn)。

隨著模具工業(yè)在整個工業(yè)領(lǐng)域中的地位與日俱增，虛擬樣機技術(shù)也將在模具設(shè)計領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。通過虛擬樣機技術(shù)可以縮短新模具產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的可靠性，通過虛擬樣機代替物理樣機試模，使模具產(chǎn)品只需一次試模便成功，節(jié)約了由于多次試模不成功帶來的不必要開支，提高了模具企業(yè)在市場中的競爭力。虛擬樣機在模具產(chǎn)品開發(fā)中的流程為：產(chǎn)品需求分析——產(chǎn)品設(shè)計——概念設(shè)計、建模——搭建虛擬樣機平臺——產(chǎn)品的虛擬樣機試驗、優(yōu)化——模具生產(chǎn)——物理樣機試模——投產(chǎn)。其中虛擬樣機技術(shù)平臺的搭建，可以使用ANSYS、WORKBENCH等有限元分析軟件對模具關(guān)鍵零部件進行柔性化處理，將柔性化后的關(guān)鍵部件與其他模具構(gòu)件導(dǎo)入到ADAMS等多體動力學(xué)分析軟件中裝配并進行剛?cè)狁詈咸幚恚ㄟ^MATLAB等數(shù)值分析軟件生成模具試模時所需的各項載荷文件導(dǎo)入ADAMS等多體動力學(xué)軟件中進行仿真分析。

4 結(jié)語

虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用到模具工業(yè)中，不僅可以滿足消費者個性化產(chǎn)品的需求，而且為中小模具企業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機會和影響。

（1）高質(zhì)量、短周期的模具產(chǎn)品開發(fā)方式將更適應(yīng)市場對新產(chǎn)品的需求，只有“快、優(yōu)、新”的產(chǎn)品才能讓企業(yè)繼續(xù)生存下去。

（2）為客戶量身定做。通過虛擬樣機技術(shù)，可以讓企業(yè)根據(jù)客戶對產(chǎn)品的需求進行模具產(chǎn)品設(shè)計，待客戶滿意后再投產(chǎn)，提升了模具企業(yè)在市場競爭中的多變性。

（3）節(jié)約試模成本。將模具產(chǎn)品進行虛擬樣機試模，通過虛擬樣機技術(shù)可以在產(chǎn)品試模前將可能存在問題與缺陷分析出來，并進行優(yōu)化設(shè)計，直至虛擬樣機試模成功后再進行最后的物理樣機試模，提高試模成功率，降低開發(fā)成本。

（4）對模具產(chǎn)品設(shè)計人員的技術(shù)要求更高。虛擬樣機技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的并行工程技術(shù)，要求設(shè)計人員必須掌握與其相關(guān)的專業(yè)知識和技能，同時，需要各子系統(tǒng)研發(fā)小組之間有更好的協(xié)同工作能力。

綜上所述，虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用將使其在企業(yè)開發(fā)新模具產(chǎn)品中起到不可替代的作用。國內(nèi)各模具企業(yè)及高校相關(guān)科研機構(gòu)應(yīng)該加強對其研究和二次開發(fā)，打造更具有國際市場競爭力的中國模具產(chǎn)品。