论数字化设计及仿真

摘要：数字化设计推动信息化进程向前发展，而仿真则是验证设计结果的有效手段。在现代制造企业产品设计和制造过程中，数字化设计和仿真一直是不可或缺的两个工具，在缩减经费、缩短开发周期、提高产品质量方面发挥了巨大作用。从数字化设计和仿真两个方面介绍其发展历程、在制造业中的现状以及未来的发展趋势。

关键词：数字化设计；仿真；虚拟样机技术

中图分类号：TP　文献标识码：A　文章编号：1672-3198(2010)11-0298-02

我国工业信息化经历了多年的发展，从过去的产品设计、工艺设计、生产管理等所使用的文件都是纸张式发展到现在计算机产品数据管理(PDM)，CAD／CAPP／CAM／MRP／ERP等数字化技术已经在企业中广泛应用，产品信息化正积极推动着工业化的发展。产品数字化设计和仿真能大幅提高企业的产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本等，大大提高了企业的竞争力。

数字化设计与仿真技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计制造与仿真、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术，在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。

1　数字化设计技术的发展历程

(1)CAx工具的广泛应用。各种CAD／CAM工具自20世纪50年代开始出现，并逐步应用到制造业中，制造业已经开始利用现代信息技术来改进传统的产品设计，这标志着数字化设计的开始。

(2)并行工程思想的提出与推行。并行工程作为一种新的产品开发的理念，在20世纪80年代后期提出，它吸收了计算机技术、信息技术的成果，成为产品数字设计的重要手段，是在现代信息技术作为背景支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM(产品数据管理)技术及DFx(如DFM、DFA等)技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现。

(3)虚拟样机技术的应用。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的局部应用(单领域、单点)逐步扩展到系统应用(多领域、全生命周期)。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。虚拟样机也被称为数字化功能样机，同时虚拟样机技术也是一门综合学科的技术，以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用计算机技术将产品的设计分析集成起来，建立机械系统的数字模型。运用虚拟样机技术可以快速建立包含控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，并对产品的多种设计方案进行测试、评估，在设计中不断发现问题、解决问题、优化整体设计。美国的波音777客机便是世界上首个以无图方式研发和制造的飞机，虚拟样机技术在整个设计、生产、装配、评估环节发挥着及其重要的作用，并确保产品最终一次拼接成功。

2　数字化设计及仿真技术的应用

目前已经有很多成熟的商业CAD、CAE软件在航空航天、机械电子、汽车制造、工程机械、造船、铁路等各个领域广泛应用，如在产品结构三维CAD设计方面有Pro／Engi―neer、UG、SolidWorks、SolidEdge等；结构分析软件有AN―SYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等；运动学和动力学仿真软件有ADAMS等软件；控制系统仿真软件有MATH―WORKS公司的MATLAB等软件。这些成熟的商业软件都有着非常广阔的市场和非常庞大的客户群，同时市场需求也促使这些CAD、CAE软件之间数据转换相互兼容，我们可以在三维CAD软件中进行产品结构模型设计，然后传人结构、运动学和动力学仿真软件中进行分析，然后将变量数据传输到控制系统仿真软件中对控制系统进行仿真。这样我们就可以不断对设计方案进行评估、优化和完善，而这一切都是在计算机数字化下完成，为企业节约了大量时间和缩减了大幅开发成本。而这又让数字化设计在减少设计过程中实物模型的制造和易于实现设计的并行化的两大优点在企业的产品开发设计中完美体现。

数字化设计推动信息进程向前发展，而仿真则是验证设计结果的有效手段。仿真作为工业社会由纯机械化向信息化时代前进过程中的产物，在航空、航天、国防、其他工业的复杂产品设计开发过程中，计算机仿真技术在减少损失、节约经费、缩短产品设计开发周期、提高产品之类方面发挥出巨大的潜力，促使仿真技术的迅速发展，历程大概可分为以下几个阶段：

(1)发展阶段：二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展，20世纪40年代研制成功第一台通用电子模拟计算机。50年代末期到60年代，导弹和宇宙飞船的姿态及轨道动力学的研究、仿真技术在阿渡罗登月计划及核电站的广泛应用、以及50年代末第一台混合计算机系统用于洲际导弹的仿真，促进了仿真技术的发展。

(2)成熟阶段：70年代中期，在军事需求推动下，仿真技术得到迅速发展，并从军事领域向其他领域扩展。在这个时期出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统等产品，相继出现了一些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司，例如美国的GSE公司、E&s公司、ABB公司、Dyneties公司等，使仿真技术形成产业化。

(3)高级阶段：20世纪80年代初以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(Simulation Networking)研究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志，仿真技术发展到了一个新的高级阶段。

3　中国仿真技术上市场的特点的现状

经过一个多世纪的发展革新，仿真技术已经形成一门独立的科学体系，包括：由仿真建模理论、仿真系统理论和仿真应用理论构成的理论体系；由系统、模型、应用领域知识综合而成的理论基础；由基于相似原理的仿真建模，基于整体论的仿真系统构建和全系统、全生命周期、全方位的仿真应用综合而成的方法论。那么我国仿真产业发展状况如何?2007中国(上海)国际仿真工业展览会组委会曾历时两年做过一次“中国仿真产业发展现状”的市场调查，调查显示中国仿真市场存在如下特点：

(1)科技含量高、市场潜力大、学术性强是目前中国仿真市场的主要特点。

(2)仿真属于高科技领域，企业主要集中在国内大中型城市。

(3)中国仿真软件目前主要销售市场仍然集中在国内。

(4)中国仿真企业普遍年轻，其中以1990～2000年及2004年后为主。

(5)从事仿真技术的企业普遍乐观，对仿真行业市场有很大信心，行业竞争相对较小。

计算机仿真在制造业中具体应用主要体现在以下几个方面：

(1)面向产品的仿真。包括产品的静态、动态性能分析，可制造性分析，可装配性分析。

(2)面向装配工艺和装备的仿真。

(3)面向生产管理的仿真。我国研发的有南开大学的JobShop调度仿真软件，清华大学与航天部204所等单位联合开发的FASE，以及在此基础上开发的智能规则调度系统等。

(4)面向制造企业其他环节的仿真。

目前制造业竞争的日趋激烈，各国和各行业广泛研究和应用先进制造技术，促使仿真技术的领域空前扩大，目前已从传统的制造领域扩展到产品设计开发甚至销售领域。在社会生产力水平的大幅提高和市场需求的推动下，伴随着计算机技术的快步发展，仿真技术必将沿着跨专业多学科协同仿真、能提供建模一运算一数据处理一数据传递的更大平台、整合和细分市场、更加智能化、能提供丰富的二次开发功能的趋势发展。而数字化设计和仿真也将随着现代工业的快速发展，在产品的设计开发、模拟仿真制造和评估中扮演着越来越重要的角色，并在工业信息化和平台化的今天扮演着越来越重要的角色。