數(shù)字樣機與數(shù)字仿真

1、數(shù)字樣機與數(shù)字仿真不可抗拒的產(chǎn)品研發(fā)新潮目錄 1 1 何謂數(shù)字樣機和技術何謂數(shù)字樣機和技術 1.1 1.1 數(shù)字樣機概念數(shù)字樣機概念 1.2 1.2 歐特克講的數(shù)字樣歐特克講的數(shù)字樣機和數(shù)字化樣機機和數(shù)字化樣機 1.3 1.3 西門子講的數(shù)字樣西門子講的數(shù)字樣機機 1.4 1.4 達索講的電子樣機達索講的電子樣機 1.5 1.5 PTCPTC公司講的數(shù)字樣公司講的數(shù)字樣機機 1.6 1.6 中國航空制造業(yè)對中國航空制造業(yè)對數(shù)字樣機的描述數(shù)字樣機的描述 1.7 1.7 數(shù)字樣機的技術特數(shù)字樣機的技術特點點 1.8 1.8 數(shù)字樣機的應用實數(shù)字樣機的應用實例和效益例和效益 1.9 1.9 飛機數(shù)字

2、樣機的分飛機數(shù)字樣機的分類類 1.10 1.10 數(shù)字樣機的發(fā)展階數(shù)字樣機的發(fā)展階段段 1.11 1.11 數(shù)字樣機研發(fā)軟件數(shù)字樣機研發(fā)軟件選用選用 2 2 何謂數(shù)字仿真何謂數(shù)字仿真 3 3 現(xiàn)代先進的產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)代先進的產(chǎn)品研發(fā)理念理念 4 4 我們的教育應符合時我們的教育應符合時代潮流代潮流 展示部分自做作品展示部分自做作品1 何謂數(shù)字樣機和技術 1.1 數(shù)字樣機概念 數(shù)字樣機強調將產(chǎn)品整個生命周期的模型實現(xiàn)數(shù)字化，而不僅僅是最終產(chǎn)品的數(shù)字化。數(shù)字樣機貫穿于從產(chǎn)品的概念設計（工業(yè)設計）、工程設計（基于三維CAD和二維CAD的雙向集成，機電軟件混合設計等技術）、工程分析（虛擬仿真）、市場推廣（

3、動漫和3D廣告制作）全過程的集成應用。傳統(tǒng)的基于實物物理樣機的設計開發(fā)試驗研制方法，在很大程度上將被基于計算機的三維數(shù)字樣機技術所取代。 1 何謂數(shù)字樣機和技術 數(shù)字樣機技術是以CAX/DFX技術為基礎，以機械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心，融合虛擬現(xiàn)實、仿真技術、三維計算機圖形技術，將分散的產(chǎn)品設計開發(fā)和分析過程集成在一起，使產(chǎn)品的設計者、制造者和使用者在產(chǎn)品的早期可以直觀形象地對數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品原型進行設計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設計方法。 1.1.1 狹義數(shù)字樣機 狹義數(shù)字樣機：從計算機圖形學角度出發(fā)，認為數(shù)字樣機是利用虛擬現(xiàn)實技術對產(chǎn)品模型的

4、設計、制造、裝配、使用、維護與回收利用等各種屬性進行分析與設計，在虛擬環(huán)境中逼真地分析與顯示產(chǎn)品的全部特征，以替代或精簡物理樣機。 1.1.2 廣義數(shù)字樣機 廣義數(shù)字樣機：從制造的角度出發(fā)，認為數(shù)字樣機是一種基于數(shù)字計算機的產(chǎn)品描述，從產(chǎn)品設計、制造、服務、維護直至產(chǎn)品回收的整個過程中全部所需功能的實時計算機仿真，通過計算機技術對產(chǎn)品的各種屬性進行設計、分析與仿真，以取代或精簡物理樣機。 1.2 歐特克講的數(shù)字樣機和數(shù)字化樣機 數(shù)字樣機是相對于物理樣機的概念，是一個能夠考察產(chǎn)品的外型、裝配性、可加工性以及功能特性的三維數(shù)字模型，而數(shù)字化樣機是開發(fā)和應用數(shù)字樣機的過程，是在產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字階段，使

5、用數(shù)字樣機進行設計、優(yōu)化、分析、模擬、數(shù)據(jù)管理乃至市場宣傳的技術解決方案。數(shù)字樣機流程圖概念設計工程設計數(shù)字仿真工藝設計生產(chǎn)制造使用維護1.3 西門子講的數(shù)字樣機 Siemens PLM，即原來的UGS公司在NX5軟件中推出了主動數(shù)字樣機技術。該技術將輕量化三維模型內置于數(shù)字樣機之中，實現(xiàn)輕量化三維模型和實體模型的混合應用。該技術的最大優(yōu)點是，設計師需要編輯的部分采用實體模型，確保精度，而其它部分采用輕量化三維模型，大大提高顯示速度。使得數(shù)字樣機的顯示和編輯對計算機硬件的要求大大降低。 1.4 達索講的電子樣機 法國達索系統(tǒng)公司的數(shù)字樣機概念則強化了對產(chǎn)品的詳細設計、三維可視化、制造過程仿真、

6、工程分析實現(xiàn)集成應用。 它的電子樣機DMU 是達索系統(tǒng)公司的得意之作。 “DMU為一實用的對整個產(chǎn)品或產(chǎn)品的部分進行計算機電子模擬的技術。它需具有完整的功能，包括：集成的造型，可視化，功能性檢測，產(chǎn)品結構和配置管理等功能，為數(shù)據(jù)管理， 信息轉遞和決策過程三大領域提供方案。最終能更快，更好地以最低成本開發(fā)和生產(chǎn)汽車和其它產(chǎn)品?！?1.5 PTC公司講的數(shù)字樣機 PTC則對數(shù)字樣機賦予了另一方面的含義。即數(shù)字樣機中不僅包含產(chǎn)品的數(shù)字化模型，還包含各類產(chǎn)品文檔的數(shù)字化模型，以及產(chǎn)品設計過程中的計算過程。1.6 中國航空制造業(yè)對數(shù)字樣機的描述 數(shù)字樣機是對產(chǎn)品的真實化、集成化的虛擬仿真，用于工程設計、

7、干涉檢查、機構仿真、產(chǎn)品拆裝、加工制造和維護檢測等模擬環(huán)境，要求具備集成化造型、可視化、功能檢測、產(chǎn)品結構和配置管理等完整的功能，并為數(shù)據(jù)管理、信息傳遞和決策過程等三大領域提供方案。它覆蓋了產(chǎn)品從概念設計到售后服務的全生命周期，是支持產(chǎn)品設計和工作流程控制、信息傳遞與共享、決策制定的公共數(shù)據(jù)平臺。1.7 數(shù)字樣機的技術特點 無論是狹義的還是廣義的數(shù)字樣機，都具有如下技術特點： 真實性。 面向產(chǎn)品全生命周期。 多學科交叉性。 全面實現(xiàn)數(shù)字化。強調將產(chǎn)品整個生命周期的各個研發(fā)環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字化。 不需要制造成本，不僅能一直保持最新版本的設計方案，而且所有數(shù)據(jù)都可以進行保存、回溯和跟蹤。 綠色環(huán)保。1.

8、8 數(shù)字樣機應用實例和效益 實例1：殲轟-7“飛豹”戰(zhàn)機的無圖紙設計（數(shù)字樣機）。（2003年，用CATIA） 效益：由于采用了數(shù)字樣機技術，才取得了改進的成功。 實例2：波音777的無圖紙設計（數(shù)字樣機）。（上世紀90年代，用CATIA） 效益：開發(fā)費用和時間節(jié)約50%；設計更改、返工率減少93%以上；出現(xiàn)問題比傳統(tǒng)制造減少50%80%。殲轟殲轟-7“-7“飛豹飛豹”戰(zhàn)機戰(zhàn)機波音波音777777中國國際航空中國國際航空B777-200 中國南方航空中國南方航空B777-200ER 國泰航空國泰航空B777飛豹改進型飛豹改進型 1.9 飛機數(shù)字樣機的分類 按研制進程分為：一級樣機（含概念樣機、

9、方案樣機）；二級樣機；三級樣機。 按功能分為：結構樣機；系統(tǒng)樣機；分區(qū)樣機；全機樣機。 為支持培訓、市場營銷等特殊項目而構建的數(shù)字樣機為專用數(shù)字樣機。1.10 數(shù)字樣機的發(fā)展階段 “甩圖板”階段：從1982年歐特克發(fā)布2D繪圖標準AutoCAD開始，到現(xiàn)在還不斷有人提出要訓練用圖板畫圖，太“落伍”了！ 三維（3D）設計階段：從1988年PTC發(fā)布第一個參數(shù)化設計標準軟件Pro/E開始，先后誕生了低、中、高端的一系列三維設計軟件。是過渡階段。 數(shù)字樣機（“無圖紙”）階段：從上世紀90年代誕生世界第一架數(shù)字樣機“波音777”開始。當今叫得最響的是“歐特克” ，水平最高應用時間最早的是“達索” （它

10、稱電子樣機）。 “如今，單純的二維或三維設計的年代已經(jīng)過去，數(shù)字化樣機的時代正在到來?！庇腥巳缡钦f。 2D3D數(shù)字樣機，不可抗拒，要急起直追！1.11 數(shù)字樣機研發(fā)軟件選用 不能搞“百家軍”，要用同一公司（含有緊密合作關系公司）產(chǎn)品，才能真正實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中每個環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)的無縫對接（集成）。再就是要看行業(yè)（“量體裁衣”），如：中航工業(yè)和一汽用CATIA。1.11 數(shù)字樣機研發(fā)軟件選用 “歐家軍”值得重視（美中不足是沒有本公司的CAM軟件），“達索” 、“西門子”和“PTC”及本國的“CAXA系列”都是候選對象。還有眾多的小兄弟，我認為不值得一提，用數(shù)字樣機概念來衡量，它們還差得遠?！皻W家

11、軍”軟件 歐特克數(shù)字樣機解決方案包含豐富的功能應用，與Autodesk Inventor軟件配合使用，可完整涵蓋從概念設計到工程設計以及生產(chǎn)制造的全部流程。 短板或叫軟肋是數(shù)控加工軟件要用“SolidCAM”。“歐家軍”軟件 AutoCAD Electrical ：幫助電氣設計工程師快速完成電氣控制系統(tǒng)設計。大型電氣控制設計項目可設置單獨的元器件型號庫，其項目設計團隊可快速訪問并調用該庫?！皻W家軍”軟件 AutoCAD Mechanical ：優(yōu)化增強公差尺寸標注功能，改善操作環(huán)境。用戶甚至不用點擊任何命令或打開任何對話框，就可以快速、直接的進行公差尺寸的標注，并將文件屬性添加到這些注釋中?！?/p>

12、歐家軍”軟件 Autodesk Algor Simulation ： 這一機械仿真分析工具現(xiàn)已與Autodesk Moldflow 軟件集成，工程師在進行塑料零件結構分析時可以利用Moldflow分析結果和Moldflow材料數(shù)據(jù)庫?！皻W家軍”軟件 Autodesk Alias 系列：包括Alias Sketch、Alias Design、Alias Surface和Alias Automotive，提供了A級曲面設計及編輯功能，是業(yè)內領先的繪圖、建模和可視化工具。新的Autodesk Alias Sketch軟件獨特的手繪功能和矢量化工作流程可幫助創(chuàng)意專業(yè)人士迅速將構思轉化為引人注目的產(chǎn)品模

13、型?！皻W家軍”軟件 早前，歐特克實驗室推出了Autodesk Inventor Publisher技術預覽版，其商業(yè)版軟件也于近日首次亮相。這款易用的制圖軟件能夠創(chuàng)建出效果真實的產(chǎn)品圖紙，制造型企業(yè)可以從設計到制造的整個過程中使用同一個數(shù)字模型，從而為客戶提供更清晰、更全面的技術指導。“歐家軍”軟件 Autodesk Moldflow ：可以幫助用戶在制造過程開始前驗證和優(yōu)化塑料零件和注塑模具的設計，方便地將Moldflow的模擬結果輸出到Autodesk Showcase 工業(yè)設計可視化軟件中，借以顯示出缺陷，查看零件在現(xiàn)實中的外觀，進而幫助評估零件質量和做出更好的設計決策?！皻W家軍”軟件

14、Autodesk Vault系列：是管理整個數(shù)字樣機流程的工作組級數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，現(xiàn)推出全新視覺體驗，用戶可將Vault信息以圖形方式直接映射到Autodesk Inventor模型中，從而簡化工作流程，從根本上改進報告和決策過程，加快模型選擇及互動的速度。請看數(shù)字樣機裝配視頻請看“虛擬數(shù)控機床實訓系統(tǒng)”視頻請看宇龍數(shù)控仿真軟件界面介紹2 何謂數(shù)字仿真 2.1 仿真概念：利用模型復現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或設計中的系統(tǒng)，又稱模擬。 2 何謂數(shù)字仿真 2.2 仿真分類：模擬計算機仿真（簡稱模擬仿真）、數(shù)字計算機仿真（簡稱數(shù)字仿真）、混合計算機仿真（簡稱混合仿真

15、）；實物模型仿真（簡稱物理仿真）、數(shù)學模型仿真（簡稱數(shù)學仿真）；連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散系統(tǒng)仿真；機電系統(tǒng)仿真、化工系統(tǒng)仿真2 何謂數(shù)字仿真 2.3 仿真模型：仿真模型是被仿真對象的相似物或其結構形式。它可以是物理模型或數(shù)學模型。2 何謂數(shù)字仿真 2.4 仿真試驗：為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)結構和參數(shù)，常常要在仿真模型上進行多次實驗。通過實驗可觀察系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。2 何謂數(shù)字仿真 2.5 仿真工具：主要指的是仿真硬件和軟件。硬件最主要的是計算機，軟件包括仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。2 何謂數(shù)字仿真 2.6 仿真軟件：有專用的和集成的兩類。專用的如機械系統(tǒng)動力學自

16、動分析軟件“ADAMS” （用于對機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析）。集成的如CATIA、UG NX、Creo、Inventor、SolidWorks、SolidEDGE、CAXA實體設計等。UGSUGS（現(xiàn)在為（現(xiàn)在為SiemensSiemens ）的數(shù)字化仿真的數(shù)字化仿真 UGS公司的數(shù)字化仿真解決方案,涵蓋了從CAD/CAE/CAM到PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）的全過程，它是基于數(shù)字樣機構建和數(shù)字化仿真的過程。 UGS 數(shù)字化仿真系列軟件與解決方案處于產(chǎn)品設計/仿真分析集成領域的業(yè)界領導地位。請看沖壓仿真視頻請看哈爾濱工程大學仿真視頻CATIA數(shù)字仿真1CATIA數(shù)字仿真2CATI

17、A數(shù)字仿真3CATIA數(shù)字仿真4CATIA數(shù)字仿真5SolidWorks數(shù)字仿真1SolidWorks數(shù)字仿真2ProE（現(xiàn)在為CREO）運動仿真1、2、33 現(xiàn)代先進的產(chǎn)品研發(fā)理念 實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的全程數(shù)字化，包括各種管理文檔。要徹底摒棄只有“手工”才能建立抽象理論概念的過時觀念。 基于特征的三維參數(shù)化設計（含工藝設計）是基礎性工作。 自由建模、直接建模、創(chuàng)新設計等是概念設計、設、直接建模、創(chuàng)新設計等是概念設計、設計修改的不可缺少的先進工具和手段。（在另外一講計修改的不可缺少的先進工具和手段。（在另外一講中詳細闡述）中詳細闡述） 先進的、完善的、上下游協(xié)調的硬件和軟件是必備條

18、件。 要實施優(yōu)化設計、協(xié)同設計、并行工程、價值工程、反求工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、物料需求計劃MRP、企業(yè)資源計劃ERP等。 數(shù)字仿真是保證產(chǎn)品性價比和可靠性、安全性等指標的關鍵環(huán)節(jié)和技術，而且數(shù)字仿真驅動數(shù)字設計會越來越成為時尚。4 我們的教育培訓應符合時代潮流總的想法就是要強化數(shù)字樣機的數(shù)字化設計和數(shù)字化仿真的教育培訓：相關課程的教學內容和方法要實現(xiàn)數(shù)字化。例如：數(shù)字（計算機）繪圖、數(shù)字工程力學、數(shù)字工業(yè)設計、數(shù)字機構設計與分析仿真、數(shù)字零部件設計與結構有限元分析、數(shù)字公差分析、數(shù)字工藝設計與制造過程仿真、數(shù)字樣機設計與系統(tǒng)仿真、數(shù)字逼真圖像設計、數(shù)控編程與加工仿真、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM應用等?！?C集成軟件應用”應該成為“3年學歷教育”中“不斷線”的主干課程。在學歷教育中鍛煉一支能夠擔負數(shù)字樣機研發(fā)的教師團隊（邊學邊教），在培訓中顯露我們有可以研發(fā)數(shù)字樣機的實力和水平，在數(shù)字樣機研發(fā)實踐中創(chuàng)造一定的社會效益，甚至獲得一定的經(jīng)濟效益。為此，要轉變觀念、統(tǒng)一思想，做好有關專業(yè)的頂層設計和實施計劃。重在高起點起步（要“跳一跳”才能達到），建立協(xié)同教學和研發(fā)數(shù)字樣機的團隊，形成整體實力。最后展示部分自做作品應用鏡頭眩光效果 修改渲染設置（模型反射室內環(huán)境） 渲染窗口圖像（自做“反射鏡面”模型） 用“圖像