虚拟产品设计
虚拟仿真技术在产品设计中的应用与发展
虚拟仿真技术在产品设计中的应用与发展随着信息技术的不断发展，虚拟仿真技术在产品设计中得到了越来越广泛的应用。
虚拟仿真技术是一种通过计算机模拟现实物理过程的技术，它可以在设计阶段对产品进行多方面的预先评估和验证，以确保产品在投入生产前能够满足设计要求，并提高产品的品质和效率。
本文将探讨虚拟仿真技术在产品设计中的应用和发展趋势。
一、虚拟仿真技术的应用1.产品外观设计虚拟仿真技术在产品外观设计中的应用越来越广泛。
设计师可以通过计算机模拟实现产品的三维造型和运动效果，以便在设计阶段进行准确的预测和调整。
同时，设计师还可以模拟产品在不同的环境和场景中的使用效果，以便更好地满足用户需求。
2.产品结构设计虚拟仿真技术可以模拟产品的结构和组装方式，并进行加速度、应力、振动等方面的分析，以预测产品在使用时的稳定性和安全性。
这种分析可以为设计师提供更多的信息，以便更好地改进产品的设计和加强产品的可靠性，从而降低生产成本。
3.产品性能仿真在虚拟仿真技术的帮助下，设计师可以仿真产品的性能，包括物理性能、热学性能、流体力学性能等。
通过模拟不同条件下产品的性能，设计师可以优化产品的设计和材料选择，以提高产品的性能和寿命，并降低生产成本。
二、虚拟仿真技术的发展趋势1.全球化和集成化虚拟仿真技术的一个重要趋势是全球化和集成化。
随着全球化的发展，产品和服务将面临更多的国际标准和跨文化需求，因此虚拟仿真技术需要满足更多的全球化要求。
集成化将成为虚拟仿真技术的主流方向，因为它能够通过将不同分析领域和仿真技术的信息整合起来，帮助用户更好地完成设计任务。
2.云计算和人工智能虚拟仿真技术在云计算和人工智能领域的发展越来越重要。
云计算可以通过提供更强大的计算和存储能力来帮助用户更好地处理大规模数据和复杂的仿真任务。
人工智能可以作为虚拟仿真技术的辅助工具，为用户提供更多的智能决策支持和自动化服务。
3.数字化孪生和AR/VR技术数字化孪生和AR/VR技术是虚拟仿真技术的热点领域。
虚拟设计-虚拟设计的关键技术
虚拟设计的关键技术虚拟设计的关键技术包括以下内容：(1)全息产品的建模理论与方法。
(2)基于知识的设计包括设计知识的获取、表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。
(3)设计过程的规划、集成与优化包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程的冲突管理与协商处理。
(4)虚拟环境中的人机互动工程学。
(5)虚拟环境与设计过程的相互联系。
(6)产生虚拟环境的工具集包括一般所需要的软件支撑系统以及能够接受各种高性能传感器信息，能生成立体的显示图形，能调用和互连各种数据库和CAD 软件的各种系统。
建模技术(1)几何建模几何建模在广义上包括在计算机上处理几何对象的所有方法。
几何建模的基础汇集了多门学科，如拓扑学、解析几何学、微分几何学、投影几何学、数字数学法、集合论和矩阵代数学等，从而形成理论和应用信息科学专业领域，如软件工程、数据结构和图论等。
各种领域的这种组合构成几何建模的基础。
三维几何体的基本元素是点、线、面和体。
根据基本构型的复杂程度不同，可将几何模型分为线框模型、表面模型和实体模型三种形式。
1)线框模型线框模型是表面模型与实体模型的基础，通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体——边——点关系，用物体的棱边或轮廓线(曲线、直线、圆弧)描述零件或产品的形状特征。
识别一个物体，是以其棱边的组合结构表示的。
顶点与棱边一经确定，物体就被唯一地确定。
线框模型仅能描述物体的框架结构，而没有面的信息，故不能进行隐藏线面的消除，不能显示物体的真实图像。
2)表面模型用一组表面表示物体的外形，将棱边有序连接而构成实体的表面结构。
表面模型由于增加了面与棱边的关系，所以在数据结构上比线框模型复杂，表面模型所定义的表面实际上完全定义了物体的边界，但是物体的实心部分在边界表面的哪一侧是不明显的。
表面模型比线框模型增加了更多的几何信息，可以实现图形的消隐，产生色调图，计算表面积以及数控加工轨迹。
虚拟样机技术在产品设计中的应用
虚拟样机技术在产品设计中的应用随着科技的不断发展，虚拟样机技术在产品设计中的应用越来越广泛。
虚拟样机是一种通过计算机模拟的方式，在产品开发之前构建产品的虚拟模型。
它可以模拟产品的外观、结构和性能，帮助设计师在产品开发的早期阶段发现和解决潜在问题，提高产品设计的效率和质量。
首先，虚拟样机技术可以帮助设计师实现快速迭代。
在传统的产品设计中，设计师通常需要制作多个实物样机来进行测试和改进。
这不仅花费时间和金钱，还增加了开发周期。
而借助虚拟样机技术，设计师可以在计算机上快速制作和修改产品的虚拟模型，通过模拟仿真测试，快速发现潜在问题并进行改进。
这样一来，设计师可以快速迭代，减少了试错的成本和时间，提高了产品开发的效率。
其次，虚拟样机技术可以帮助设计师优化产品的外观和人机交互。
在产品设计的过程中，外观和人机交互是至关重要的因素。
借助虚拟样机技术，设计师可以在计算机上进行虚拟的三维建模和渲染，模拟产品在不同环境和使用场景下的真实表现。
通过虚拟样机，设计师可以实现对产品外观的快速修改和优化，以及对用户体验的评估和改善。
这样一来，设计师可以更好地满足用户的需求，提高产品的竞争力。
此外，虚拟样机技术还可以帮助设计师评估产品的可制造性和可维护性。
在产品设计的早期阶段，如果设计师没有充分考虑到产品的制造和维护过程，可能会导致生产效率低下、成本增加或者后期维护困难等问题。
通过采用虚拟样机技术，设计师可以在计算机上模拟产品的制造和维护过程，评估产品在实际生产和使用中的可行性，并进行相应的改进。
这样一来，设计师可以提前解决潜在问题，降低产品的制造和维护成本，提高产品的可制造性和可维护性。
最后，虚拟样机技术还可以帮助设计师进行产品展示和宣传。
在产品的市场推广过程中，展示和宣传是至关重要的环节。
借助虚拟样机技术，设计师可以在计算机上通过渲染和动画技术，实现对产品的高逼真度展示。
这不仅可以提高产品的吸引力和竞争力，还可以降低产品推广的成本。
对虚拟产品开发设计、分析一体化管理平台的理解
支持 自上而 下设 计 ． 自下 而 上综 合
验 证 过 程 的 Ｖ字 型 系统 。 体 过 程 如 具
下：总体 （ 念 ）方案设计 完成 并经 概 过仿 真 分 析后 将 技术 要 求和 指标 规
范 下 达 给 子 系 统 、 组 件 ；零 组 件 根 零
明确和一致 的共识 。 就现 状而言 ． 基 本具有三个 方面：以Ｐ Ｍ （ 品生命 Ｌ 产 周期 管理 ）战略管 理 整个 产 品生命 周期 ；对应 用 Ｃ Ｄ的设计过 程和数 Ａ
上 述 输 入 和 限制 条 件 下 的 历 史 数 据 库 中
Ｃ ＡＤ工具 ． Ｃ ＴＡ Ｇ和Ｐ ＯＥ ， 如 Ａ Ｉ Ｕ Ｒ 等 以 及专 家经验 （ 知识 库 ）和 专业部件库 ；
虚 拟 装 配 干 涉分 析 和 结 构 布 局 如 可
与之相 近的设计 ．包括 目标 Ｃ Ｄ形 状 ． Ａ ＦＭ和 其相应 的性能 。其后 ．可 以根据 Ｅ 此相 近的 Ｆ Ｍ模型 ，进 行 Ｍｏｐ ｅ Ｅ ｒｈｎ等基 于 Ｆ 模型 的快速多 方案对 比 ． ｓ 析及 Ｅ Ｔ分 优化 ．快速 、方便且 业经验证 的给 出应
性地进 行系统级 的多学科联合 仿真 ． 及
以采 用各Ｃ Ｄ供应商 提供 的工 具 ． 行 Ａ 进 诸如 虚拟装配 运动干 涉检查 公 差分 析 尺寸链计 算 布局等设 计工作 ，且
１ ２ 整 合 在 Ｐ Ｍ 系 统 之 下 ，成 为 设 和 均 Ｄ
基 础上快 速 高效地做 新 的从 总体 到详 细的设计 ，最终 确定新设计 。同时 ．此 过程可 内嵌企业 的标准和规 范等 。
分析 与试 验的相 关性分析等 ， 其后可 以 跨学科 、跨部 门、跨地域 的协 同考量系
体化管理 平 台 ． 关键词简而 言之 ．就 其
机电产品的虚拟设计与仿真
机电产品的虚拟设计与仿真引言随着技术的发展，虚拟设计与仿真在机电产品领域的应用越来越普遍。
虚拟设计与仿真技术通过使用计算机模型与仿真软件，能够帮助工程师在产品开发的早期阶段进行验证和优化，并最终提高产品的质量和可靠性。
本文将介绍机电产品虚拟设计与仿真的基本概念、工具和应用案例。
虚拟设计与仿真的基本概念虚拟设计与仿真是指基于计算机模型和仿真软件的工程设计方法。
它可以模拟真实世界中的机电产品及其系统，通过计算机模拟来预测和分析产品在不同工况下的性能和行为。
通过虚拟设计与仿真，工程师可以在产品实际制造前进行验证和优化，减少开发成本和时间。
虚拟设计与仿真包括以下几个主要的步骤：1.建模：根据机电产品的几何形状和物理特性，使用CAD（Computer-ded Design）软件创建产品的3D模型。
2.物理仿真：将产品模型导入仿真软件，根据产品的物理特性设置仿真参数，进行力学、动力学、热力学等多个方面的仿真分析。
3.结果分析：根据仿真结果，对产品的性能和行为进行分析和评估，不断进行修改和优化。
4.虚拟测试：在虚拟环境中模拟产品的使用场景，检查产品的可靠性、安全性和稳定性。
5.优化设计：基于虚拟测试的结果和分析，对产品进行优化设计，改善产品的性能和品质。
虚拟设计与仿真的工具在机电产品的虚拟设计与仿真过程中，有许多专业化的软件工具可以帮助工程师完成各种分析和验证任务。
以下是常用的几种工具：1.CAD软件：CAD软件（如SolidWorks、AutoCAD）用于创建机电产品的几何模型，确定产品的尺寸、形状和结构。
2.有限元分析软件：有限元分析（FEA）软件（如ANSYS、ABAQUS）用于对产品的结构进行强度、刚度、振动等方面的仿真分析。
3.电磁场仿真软件：电磁场仿真软件（如FEKO、CST Studio Suite）用于分析产品在电磁场中的行为，如电磁干扰、电磁散射等。
4.多体动力学仿真软件：多体动力学仿真软件（如ADAMS、Simpack）用于分析机电产品的运动学和动力学特性，模拟产品的运动和相互作用。
基于Pro／E虚拟产品设计方法应用研究
第３ ７卷
第２ ３期
３ Ｐ ｏ 虚 拟 产 品 开发 中具 体 应 用 ｒ
本 文通过对 某挖掘 机虚拟模 型 的测试 ， 来说 明， 基于 Ｐ ｏＥ虚拟产 品设 计 能够 迅 速有 效地 转 化 为 ｒ／ 生产 效率 。 国 内某大 型挖掘 机生产企 业 ， 了提高产 品竞 为 争力 ， 决定 以国外某 品牌挖掘 机为参照 来优化公 司
采用 虚拟产 品 的外 形设 计 ， 随 时进行 修 改 、 可
评 测 ， 案确定后 的建模数 据可 直接用 于冲压模具 方
１ 虚 拟产 品设计 技 术
虚拟 产 品设计 是 指设 计者 利 用计 算 机三 维 软 件完 成产 品零 部件 的实体造 型 ， 并进 行计算 机虚拟
装配、 干涉分析 等 多 次协 调 的设 计 过程 ， 实现 产 品
摘 要 ： 于虚拟技 术与计 算机在辅 助产 品设计 中的应 用 ， 出了一种基 于 ＰＯＥ的 虚拟产 品设计 基 提 ｒ／
的方 法。着重 对虚拟产 品设计技 术 和仿 真特 点进 行 了阐述 ， 同时分析 了虚 拟产 品设 计 应 用 中存
在 的 问题 。最后通 过 Ｐｏ Ｅ提 供数 字化 的虚 拟 可视 化环境 ， ｒ／ 对挖 掘机 运 动数据 进行 虚拟 仿 真、 测
１ １ 虚拟 产品设计 过程 、 程管理 和装 配 ． 过
仿 真
产 品设 计过程本 身就是 一个对信 息进行 采集 、 传递 和加 工 处 理 的过 程 ， 于 Ｐ ｏＥ 虚拟 产 品设 基 ｒ／ 计， 即在设计 初期就 把产 品设 计过品开 企业
・
现代 设计与先 进制造 技术 ・
高雄 波
吴 晓光
李 红军 等
虚拟样机设计及应用
虚拟样机设计及应用虚拟样机是一种基于计算机模拟的产品开发工具，通过使用虚拟技术，能够在产品开发的早期阶段就能够进行产品样机的设计和验证。
它通过虚拟化的方式，可以模拟出产品的外观、结构、功能等特性，从而可以提前发现问题和进行改进。
虚拟样机设计主要分为建模、仿真和展示三个步骤。
首先，需要利用计算机辅助设计软件进行建模，将产品的各个部分进行三维建模，包括外形、结构、材料等信息。
其次，通过建立相应的仿真模型，对产品进行力学仿真、热仿真、流体仿真等，以验证产品的性能和可靠性。
最后，将设计好的虚拟样机通过虚拟现实技术展示出来，使用户能够沉浸式地体验产品的外观、操作方法等，从而更加直观地了解产品。
虚拟样机的应用非常广泛。
首先，在产品设计阶段，虚拟样机可以提供实时的产品模拟与分析，帮助设计师更好地确定产品的结构和外观设计，提高产品的可实现性和可用性。
其次，在产品研发和测试阶段，虚拟样机可以进行各种仿真分析，包括物理力学仿真、流体仿真、热仿真等，以验证产品的性能和可靠性，减少实际测试的时间和成本。
此外，在产品营销和展示阶段，虚拟样机可以通过虚拟现实技术实现产品的沉浸式展示，提供给潜在顾客更加真实的产品体验，帮助他们更好地了解产品特性和优势。
虚拟样机的设计与应用具有很多优势。
首先，它可以提前发现和解决各种问题，减少产品开发的风险和成本。
传统的产品开发往往需要进行多次试验和实际测试，而虚拟样机可以通过模拟和仿真分析，避免了很多不必要的试验和测试，提高了开发效率。
其次，虚拟样机可以在产品设计和展示方面带来更好的用户体验，通过虚拟现实技术，用户可以沉浸式地体验产品的外观和操作，更加直观地了解产品的特性和优势。
另外，虚拟样机具有可重复使用的特点，可以在不同的阶段和应用中使用，节省了资源和成本。
虚拟样机设计与应用也存在一些挑战。
首先，建模和仿真所需的数据和技术比较复杂，需要专业的知识和经验。
其次，虚拟样机在获取真实产品的性能和特性方面可能存在一定的差距，需要通过不断优化和验证来提高准确性。
基于虚拟仿真的产品研发与设计
基于虚拟仿真的产品研发与设计近年来，随着科技不断进步，人们对于产品的需求也越来越高。
为了满足消费者不断提高的要求，企业必须不断地开发出新的产品。
然而，传统的产品研发和设计方法往往需要耗费大量的时间和资源，不仅工作效率低下，并且往往存在一定的安全隐患。
因此，基于虚拟仿真的产品研发与设计正在逐渐走进人们的视野。
一、虚拟仿真技术虚拟仿真技术是一种通过计算机模拟多种情况从而实现模型化预测的技术。
它可以在计算机上通过三维模型、物理模型、动态模型等方式，对真实世界中的事物进行模拟，最终得出预测结果。
虚拟仿真技术已经广泛应用于制造业、工业设计、游戏开发等领域。
二、基于虚拟仿真的产品研发与设计1. 初期研发阶段在产品研发的初期阶段，很多企业会利用虚拟仿真技术，先行开发建模软件，通过数学算法来模拟新产品的各项参数，解决方案等。
模拟软件能够预测成本、可行性、快速响应消费者的需求等，并且能够将多个设计专家同时共享模型，加速团队协作和“设计迭代”，提高设计质量和效率。
2. 产品设计阶段利用基于虚拟仿真的软件，工业设计师可以将分析和模型的时间缩短，有效提升设计意图的可靠性和合理性。
他们可以通过软件模拟和呈现新产品的外观、流体力学、动力学，研究结构和功能。
利用仿真的软件可以精确模拟物理现象，并快速修正设计中存在的问题，避免因设计缺陷导致的错误和重构，节约材料和开发时间和成本。
同时，利用虚拟仿真技术还能够减少实验测试和慢速制造，从而加快时间和降低成本。
3. 生产制造阶段在产品生产制造阶段，制造商们可以利用基于虚拟仿真的技术来进行生产计划、流程、作业模拟、模拟装配、仿真操作等环节，优化产品设计，提高产品的质量和生产效率，提早预测或改变产线生产途径、缩小生产耗时、调整生产效率和减少研究与发展（R&D）时间。
同样，虚拟化生产还可以减少产品废弃，包括机器和人工故障等问题。
三、应用前景虚拟仿真技术作为一种新兴技术，其应用前景非常广阔，将会对未来的产品研发与设计产生重要而深远的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.三维实体的建模技术 实体的表示方法（CAD系统中）： （实体指的是在空间具有有限体积的物体，它 既有几何特性，如面积，形状和中心等，又 有物理特性，如质量、重心等。）
a.构造实体几何法（CSG ） b.边界表示法（B-rep） c.扫描法
a.构造实体几何法（CSG ）
该方法是指将一简单的实体（也称为基本体
虚拟产品设计的产生背景
产生背景： 为适应迅速变化的市场需求， 提高市场的竞 争力，现代的制造企业必须解决TQCSE难题。 而虚拟产品设计基本不消耗资源及能量，是 产品的设计，开发在计算机上的本质实现。 它有高度集成，快速成型，分布合作等特征， 而这些特征可以很好的解决TQCSE问题。
虚拟产品设计的发展轨迹：
建模的概念：对象的描绘过程称为建模， 对象的造型也简称为建模。
几何建模： 1.概念：指用计算机机及图形工具描述几何 物体 的形状、设计几何形体、模拟物体动 态处理过程的一门综合技术，它可将物体 的形状及属性存储在计算机中，形成物体 的几何模型。 2.几何模型的分类： 线框模型 表面模型 实体模型 构造实体几何法（CSG ） 边界表示法（B-rep）
仿真层： 主要解决系统(产品)在特定环境下的响应， 求得响应并不是仿真的最终目的，理想的情 况是获得设计空间和响应空间映射关系．从 而把握设计本质．预测所关心的产品特性， 优化设计结果。
集成优化层： 一方面是为了获得对整个产品整体的认 识，更重要的是实现系统层次上的优化，将 多个仿真得到的产品各种不同行为(具体体现 为各种不同形式的性能指标)作为目标函 数．对满足一定约束条件的多个可能的设计 组合进行优化决策，找到系统性能的最优。
软件组成 语言类：C++，OpenGL, VRML 建模软件类：AutoCAD, SolidWorks, Pro/Engineer, I-DEAS, CATIA 应用软件类： 指用户按自己的要求选择或开 发的自用软件。 通用的商用工具软件包 ：帮助用户建立虚拟 环境的通用和基本的软件。
虚拟产品开发的特点
虚拟产品设计继承了虚拟现实技术的所有特点（3I：
Immersion，Interaction， Imagination）。 继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果。 具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设 计。 支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补， 从而缩短产品开发周期。 便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优 势。
20世纪60年代：虚拟现实思想的提出及初步
发展。（头盔显示器） 20世纪80年代：（美国）取得瞩目的研究成 果，至此引起人们对虚拟现实技术的关注。 （数据手套） 20世纪90年代：取得突飞猛进的发展，且将 技术成果集成于使用的应用系统中。
虚拟产品设计定义
虚拟产品设计技术是虚拟现实技术在制造中 的应用或实现。 虚拟产品设计是一种新的设计技术，是现实 设计环境和制造环境的计算机内部映射，是 虚拟制造重要内容。虚拟制造是以仿真技术、 虚拟现实技术等为支撑，对设计、加工、装 配、维经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟 的过程、虚拟的产品。
虚拟产品设计
Virtual Product Design
目录
虚拟产品设计的产生背景 虚拟产品设计的发展历程 虚拟产品设计的定义 虚拟产品开发的特点 结构：硬件，软件组成
虚拟产品设计的框架
实现方法：1.几何建模，2.工具性软件，3.具体实现过程 功能和应用 发展前景
虚拟产品设计的框架
虚拟产品设计过程主要围绕以下三个核心功能展开：
设计什么样的产品(WHAT)? 产品各方面特性的研究(HOW)?： 产品设计结果评价，即回答为何这样设计(WHY)? 每一个新产品设计的结束，都是同时解 决了“设计什么 、 如何设计”和“为 何这样设计的结果 如图1所示：
WHAT
结果评估决策层： 该层应该对仿真结果的可靠性进行评估． 在考虑不确定性困素的情况下做出设计决策 也是基于仿真的虚拟产品设计环境应该考虑 的问题之一。
虚拟产品设计的实现方法 （几何建模，工具性软件）
概述： 虚拟产品开发的的显著特点是利用存储在计 算机内部的数字化模型——虚拟产品来代替 实物模型进行仿真、分析、从而提高产品在 时间、成本、服务和环境等多目标的决策水 平，达到全局化和一次性开发功能的目的。
结构
硬件组成 输入输出设备：基于CRT和LCD的头盔显 示器（HMD）、普通计算机显示器、投影 系统、可视化眼镜、数据手套、数据背心、 蹋滚、摇杆、触垫、触觉球、麦克风、合 成器、耳机和音响系统； 信息采集存储设备； 高速计算系统； 网络结构（星状、总线、环状）、异种机 网络、通讯硬件等。
素）进行一定的集合运算构成所需设计的复 杂物体。 这种方法实现实体建模的过程就是集合运算 的过程，此过程可以形象地用二叉树—— CSG表示。 CSG定义了物体的构成体素和构造方式。
图３ 树的非终端结点 表示操作，如移 动，正交、并、 差运算
根结点表示集合运算 的最终结果
叶子结点表示参与 运算的基本体素 或是一个变换叶 子
HOW
Virtual Produc t Design
WHY
图1
虚拟产品设计的四个主要层次：
模型层(Models Level) 仿真层(Simulation Level) 集成优化层(Integration and Optimization Level) 结果评估决策层(Results Evaluation and Decision Level)
ｂ.边界表示法（B-rep）
该方法是通过描述物体的表面边界来表示物体
由三核心四层次组成的虚拟产品设计的环境框架：
模型层： 主要解决产品建模和过程建模通过产品模型 的仿真分析．设计人员可以获得对产品行为 的认识，评价产品行为，并为建模提供反馈； 通过对产品开发过程的仿真，确定采取何种 设计活动运作方式，调用设计过程动态运作 的仿真结果实现对设计过程的监督和控制。