数字样机与数字仿真
机械制造业的数字化设计与仿真技术
机械制造业的数字化设计与仿真技术随着科技的不断发展，机械制造业正逐渐转向数字化设计与仿真技术。
这种趋势不仅提高了生产效率，还改善了产品质量。
本文将探讨机械制造业数字化设计与仿真技术的重要性以及它对行业的影响。
一、机械制造业数字化设计的意义数字化设计是指利用计算机软件和硬件技术，将传统的手工设计转化为数字化的过程。
它可以实现产品设计的快速、精确和灵活性，大大提高设计效率和质量。
同时，数字化设计还可以实现虚拟样机的开发，提前发现问题并加以解决，减少了实际样品的制作时间和成本。
二、机械制造业数字化仿真技术的作用数字化仿真技术是指利用计算机模型和软件仿真技术，模拟产品的设计、制造和使用的过程。
它可以帮助企业更好地预测产品的性能、检测设计缺陷，从而减少试错成本和开发周期。
数字化仿真技术还可以进行材料强度分析、热流分析、动力学分析等，为设计方案的选择提供科学依据。
三、数字化设计与仿真技术的应用案例1. 数字化设计在汽车制造业的应用在汽车制造业中，数字化设计使得汽车的外观、结构和性能可以更加理想化。
设计师可以利用计算机软件进行造型设计和仿真分析，提高汽车的流线型和空气动力学性能。
同时，数字化设计还可以优化汽车的结构，提高车身刚度和安全性能。
2. 数字化仿真在飞机制造业的应用飞机制造业是一个极其复杂的领域，数字化仿真技术在这一行业具有重要作用。
通过仿真分析，设计师可以在生产飞机之前，通过计算机模型对飞机进行各种试验和测试。
这能够显著减少生产过程的复杂性，并大大提高飞机的安全性和性能。
3. 数字化设计与仿真在机械设备制造业的应用在机械设备制造业中，数字化设计与仿真技术可以帮助设计师更加方便地进行设备设计。
它不仅可以模拟整个机械设备的工作过程，还可以模拟各种不同的工况，对设备进行各种性能指标的优化。
这样就可以在设备制造之前，发现并解决潜在的问题，提高设备的性能和可靠性。
四、数字化设计与仿真技术的挑战与展望随着机械制造业的发展，数字化设计与仿真技术仍面临一些挑战。
数字样机
虚拟样机 技术VP
数字物理 样机 （DMU）
功能虚拟 样机 （FVP）
虚拟工厂仿真 （VFS）
工业设计阶段：工业设计师，借用草图把数字化信息表达出来，并转变成三维模型继承 应用，保证其徒手勾勒的各种创意不会丢失。 工程设计阶段，机械设计师会将各种零件模型建造出来，确定都能正确地装配与安装； 电气工程师将设计电气系统与机械系统紧密结合，以保证其正常工作。 未来的数字样机将提供功能导向性技术，可以让工程师自动创立他们的模型和图纸，通 过数字样机技术提供的虚拟设计方式解决工程的设计问题。
数字样机（DMU） 对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述： 1、反映了几何属性； 2、至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。 形成于产品的设计阶段，可应用于产品全生命周期，包括 ：工程设计、制造、装配、 检验、销售、使用、售后、回收能环节。
数字样机在功能上可实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、培训 宣传和维修规
数字化功能样机技术及MSC.ADAMS的使用
数字化功能样机技术及MSC.ADAMS的使用
1.2、虚拟样机技术的内容
• 功能虚拟样机（狭义的虚拟样机技术）
对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功 能和操作性能；
该解决方案充分利用三维零件的多体模型和零件有限元
模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场的试验中精确地 预测产品的操作性能，如运动/操纵性、振动/噪声、耐久性/
想，在这个设想中，以网络方式组织在一起的人们将协同工作， 以完成对产品的设计、分析、制造及技术支持。他们的工作将
以数字化的方式确定和分配，从而使得他们能够在任何时间、
任何地点协同或独立地工作。这种开发网络除了生产公司外， 还将包括供应商、合作伙伴及客户。”
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数字化功能样机技术及MSC.ADAMS的使用
发技术将产品的模型定义在计算机上，利用计算机网络通讯的技术，
使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流，协同进行产品的开 发。除了包含设计、制造、装配、试验等专业人员外，还有可以有合
作开发伙伴以及具体的用户参加，这样便可以使产品的开发者与需求
者能共同进行产品的设计。由于这一切都是在对计算机中的产品数据 模型进行操作，使得产品的开发过程中发现的问题可以通过对产品模 型的调整得到迅速的解决。
• 虚拟产品开发具备的三个主要特点： （3）网络协同 虚拟产品开发是开发网络协同工作的结果，产品本身及其开发
过程的复杂性，使得单一公司或部门难以胜任全部的工作，往
往是由相关的部门和公司共同组成一个开发网络，协同开发。 虚拟产品开发的数字化特性以及现代网络技术的发展使得网络
协同成为现实，基于网络的协同开发和并行工程成为VPD的重要
传统的CAE技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件
数字化设计与制造技术
考试科目:《数字化设计与制造技术》一、大作业题目（内容）：一、快速成形有哪几种主要方法？(10分)答：有5种最为常见工艺方法1、选择性液体固化2、选择性层片黏结3、选择性粉末溶结/黏结4、挤压成形5、喷墨印刷二、产品设计包括哪几个阶段和阶段的模型？(10分)答：产品设计阶段包括了概念设计、结构设计、几何设计、分析仿真等。
1、概念设计阶段的模型在产品概念设计阶段，主要从功能需求分析出发，初步提出产品的设计方案，此时并不涉及产品的精确形状和几何参数设计。
这个阶段产生的方案视不同的产品对象而不同。
主要为下一步结构设计提供依据。
而一般简单产品的方案设计采用草图设计，用来大致描述产品的结构而非精确几何结构，为产品的详细设计提供依据。
在这一阶段，概念设计主要依赖于设计者的设计知识的结果主要以技术报告、方案图、草图等形式给出。
2、零件几何模型几何模型是产品详细设计的核心，是将概要设计进行细化的关键内容，是所有后续工作的基础，也是最适合计算机表示的产品模型。
产品几何模型确定了零部件的基本形状、材料、精确尺寸和加工方法。
除此之外，几何模型的非几何信息以属性表示。
属性信息的定义以文本说明，并具有一定的结构，一般应至少包含BOM中所需的详细内容。
考虑到生命周期各阶段对信息的需求，定义产品的属性信息应尽可能完整，如技术条件、制造环节对设计的信息需求等有时也需要作为属性进行说明。
常见的明细表和标题栏所需的信息都应当属于属性定义的范畴。
常用的有产品代号、名称、材料、加工方法、设计者、零件说明、零件类型等。
零件几何模型是详细设计阶段产生的信息模型，是其他各阶段设计的信息载体，通常作为主模型。
所谓主模型是指以该模型为唯一数据源，其他模型以它为基础，派生出其他各种模型。
派生的过程实现了模型的演变。
3、产品仿真模型功能与性能仿真是利用计算机的计算能力，采用数值计算的方法模拟产品的功能或者性能，一般不能直接在详细设计阶段产生的零件几何模型上进行，必须进行一定的转换或者处理，建立符合仿真分析的模型。
机械设计中的仿真和虚拟样机技术
虚拟样机技术：在计算机上建立产品的三维模型，进行仿真分析和优化设计
作用：提高产品设计效率，减少物理试验成本，优化产品性能
应用领域：广泛应用于汽车、航空、航天、电子、机械等各个行业
与传统设计方法的区别
仿真和虚拟样机技术可以减少物理原型的制作，降低成本
仿真和虚拟样机技术可以提前发现设计中的问题，提高效率
船舶维护：通过虚拟样机技术对船舶进行维护和维修，提高维修效率和准确性
机械装备
汽车行业：仿真和虚拟样机技术用于汽车设计和制造，提高效率和准确性
航空航天行业：仿真和虚拟样机技术用于飞机、火箭等设备的设计和制造，提高安全性和可靠性
船舶行业：仿真和虚拟样机技术用于船舶设计和制造，提高效率和准确性
工程机械行业：仿真和虚拟样机技术用于挖掘机、推土机等设备的设计和制造，提高效率和准确性
仿真和虚拟样机技术人才短缺：需要加强人才培养，提高技术应用水平
仿真和虚拟样机技术的发展趋势和未来展望
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智能化仿真技术
发展趋势：从传统的手工仿真到智能化仿真
应用领域：机械设计、航空航天、汽车制造等
未来展望：更加智能化、高效化，实现真正的虚拟制造
技术特点：自动化、智能化、高效化
云仿真技术
应用场景：复杂系统仿真、多学科优化设计、实时仿真
虚拟样机技术的优势：可以提高产品设计效率，降低成本，缩短研发周期
仿真和虚拟样机技术的应用场景
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汽车行业
汽车设计：仿真技术用于优化汽车设计和性能
汽车制造：虚拟样机技术用于模拟生产过程，提高生产效率
汽车测试：仿真和虚拟样机技术用于模拟各种驾驶条件和环境，提高测试效率和安全性
汽车维修：虚拟样机技术用于远程诊断和维修，降低维修成本和时间
TeamCenterVisualization——VisMockUp实时数字样机仿真与分析系统简介
TeamCenterVisualization——VisMockUp实时数字样机仿真与分析系统简介所有设计团队的⼀个基本⽬标就是在产品⽣命周期中尽早地利⽤⼀个通过“最佳实践”总结的⽅法来检测产品缺陷。
Vis Mockup（实时数字样机仿真与分析系统）是⼀个功能强⼤的实时数字样机解决⽅案，它帮助制造企业尽早发现并解决产品开发过程中的问题。
融合了⾼级的2D和3D可视化功能以及强有⼒的⼤产品装配分析功能，Vis Mockup确保了发布给加⼯过程使⽤的产品数据是准确⽆误的。
此外，Vis Mockup降低了对试制各种昂贵的物理样机的需要，⽽且降低甚⾄消除了重组装备的成本。
通过VisMockUp可早期发现设计缺陷，缩短产品上市时间，避免设计后续⼯艺变更，减少成本，减少物理样机数，⽤数字产品快速⽣成和测试不同设计⽅案协同功能，利⽤企业Intranet⽹开展并⾏⼯作。
VisMockUp还提供了专门⽤于对数字样机进⾏分析的静态、动态⼲涉检查、剖视、测量等功能。
在VisMockUp中⽤户可以⽤⿏标在正常的交互速率下操作象汽车、飞机这样具有全部零配件细节的巨⼤模型，使得⽤户对数字样机的分析成为可能。
另外，其提供了与众多流⾏CAD软件如I-DEAS Master Series、 Pro/Engineer、CATIA、Unigraphics、CADDS 4X/5、Solid Designer及AutoCAD等的⽆缝接⼝。
VisMockUp的功能特征：动态剖视：为分析数字样机的内部结构，VisMockUp提供了⼀套动态剖视⼯具。
⽤户可在任意空间位置定义剖切⾯，产⽣样机的剖视图，并可沿法向拉动剖⾯获得动态剖视图。
进⼀步通过2D测量⼯具测量剖视图中⼏何元素的尺⼨关系，精确分析样机内部结构。
装配变换：以快捷的⽅式对样机的零组件实施各种形式的装配定位、变换操作。
在VR设备的帮助下可使⽤户获得真实的现场沉浸感。
静态⼲涉、碰撞检查：与传统CAD的单对象⼲涉检查分析不同，VisMockUp允许⽤户设定⼲涉检查的范围，如只分析屏幕上显⽰的零件的⼲涉情况，甚⾄是整个数字样机的所有零件，然后再设定间隙检查的间隙或⼲涉量，则系统在⼏秒内以间隙矩阵的形式给出选定范围内所有两两零件之间的⼲涉情况。
电子设计中的虚拟样机与仿真技术
模拟电路行为
01
通过虚拟样机，可以在设计阶段模拟电路的行为，预测其性能
参数，如功耗、延迟和吞吐量等。
优化系统性能
02
基于性能预测结果，可以对电路设计进行优化，提高系统的整
体性能。
降低开发成本
03
在物理样机制作之前发现问题并进行优化，可以减少物理样机
快速原型制作
通过虚拟样机技术，设计师可以 在早期阶段发现和纠正设计中的 问题，减少后期修改和返工。
优化设计参数
仿真技术可以帮助设计师在虚拟 环境中测试不同参数组合，选择 最优设计方案，提高产品性能。
减少物理原型
通过减少或消除物理原型的需求 ，可以节省时间和成本，同时降 低对实物资源的依赖。
降低开发成本与风险
特点
虚拟样机技术具有高效、灵活、可重 复性等优点，能够缩短产品开发周期 ，降低开发成本，提高设计质量。
虚拟样机技术的应用领域
机械工程
在机械工程领域中，虚拟样机 技术常用于汽车、航空航天、 船舶等复杂系统的设计和优化
。
电子工程
在电子工程领域中，虚拟样机 技术可用于集成电路、电子系 统、微纳器件等的设计和仿真 。
03
系统级仿真技术在系统架构设计、性能分析和优化 等方面具有广泛的应用。
物理级仿真技术
01
物理级仿真技术用于模拟物理现象，如电磁场、温度场和 流体动力学等。
02
物理级仿真通常使用有限元分析（FEA）、有限差分分析（FDA） 等方法，通过建立物理模型并运行仿真来预测实际物理现象。
03
物理级仿真技术在产品性能预测、优化和可靠性分析等方 面具有广泛的应用。
的制作数量和测试成本。
电路板设计优化
布局与布线优化
可靠性仿真技术应用已经到来
可靠性仿真技术应用已经到来可靠性仿真技术背景介绍当前全球科技水平的不断提升使得航空航天、军事装备等行业得到空前发展。
高科技产品功能结构复杂、系统组成庞大、研发周期长费用高、可靠性问题突出。
传统的基于统计的可靠性设计分析方法，与性能设计专业技术体系不一致，在设计过程中难以相互融合，造成可靠性设计分析工作往往滞后于性能设计分析工作，可靠性设计分析难以对产品的设计状态产生真正影响。
同时，传统的可靠性试验与评估方法需要大量新研产品进行试验，往往在研制后期才能开展。
通过可靠性试验发现产品薄弱环节再进行设计更改，时间周期长并且代价较大。
工程实践表明，传统的可靠性设计分析与试验评估方法，越来越难满足高科技产品高可靠长寿命的需求。
近年来，数字样机与虚拟仿真等相关技术发展迅速，国内外大部分科研机构都采用虚拟仿真技术进行产品三维建模装配与功能/性能分析，从而在设计阶段早期获得产品性能参数并改进设计。
目前，将可靠性工作融入到产品设计和分析仿真过程，在工程上有着强烈的需求。
可靠性仿真技术充分利用产品现有的功能/性能模型及相关CAD工具，以系统功能/性能模型为内核，以可靠性模型为外壳，联合各专业CAD 工具建立综合集成环境，实现可靠性与性能一体化建模仿真，支持在设计阶段开展基于仿真的可靠性设计、分析与评价。
可靠性仿真结果可以为可靠性与性能的协同设计与分析提供模型与数据支持。
综上可知，可靠性仿真技术对于解决工程中可靠性设计与性能设计“两张皮”问题具有极高的实用价值。
国外可靠性仿真技术的进展与趋势设备可靠性仿真技术美国NASA的AMES研究中心通过C-MAPSS（商用航空推进系统仿真模块）建立飞机发动机系统模型，通过单元退化机理模型和响应面技术构建了发动机性能参数的退化模型。
该方法可以应用单元退化机理来预测系统退化过程和寿命。
美国Sandia国家实验室开发了基于CAD/CAE的可靠性仿真分析工具，通过虚拟仿真和物理加速试验相结合，对微型机械等设备的关键薄弱环节进行定位和评价。
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数字样机流程图
概念设计 工程设计
数字仿真
工艺设计
生产制造
使用维护
1.3 西门子讲的数字样机
• Siemens PLM，即原来的UGS公司在NX5软件中推出 了主动数字样机技术。该技术将轻量化三维模型 内置于数字样机之中，实现轻量化三维模型和实 体模型的混合应用。该技术的最大优点是，设计 师需要编辑的部分采用实体模型，确保精度，而 其它部分采用轻量化三维模型，大大提高显示速 度。使得数字样机的显示和编辑对计算机硬件的 要求大大降低。
1 何谓数字样机和技术
• 数字样机技术是以CAX/DFX技术为基础，以机械系 统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟 现实、仿真技术、三维计算机图形技术，将分散 的产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品 的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直 观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、 性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发 提供全新的数字化设计方法。
1.2 欧特克讲的数字样机 和数字化样机
• 数字样机是相对于物理样机的概念，是一 个能够考察产品的外型、装配性、可加工 性以及功能特性的三维数字模型，而数字 化样机是开发和应用数字样机的过程，是 在产品开发的数字阶段，使用数字样机进 行设计、优化、分析、模拟、数据管理乃 至市场宣传的技术解决方案。
1.7 数字样机的技术特点
• 无论是狭义的还是广义的数字样机，都具有如下技术特点： • ⒈真实性。 • ⒉面向产品全生命周期。 • ⒊多学科交叉性。 • ⒋全面实现数字化。强调将产品整个生命周期的各个研发
环节实现数字化。 • ⒌不需要制造成本，不仅能一直保持最新版本的设计方案，
而且所有数据都可以进行保存、回溯和跟踪。 • ⒍绿色环保。
1.4 达索讲的电子样机
• 法国达索系统公司的数字样机概念则强化了对产品的详细 设计、三维可视化、制造过程仿真、工程分析实现集成应 用。
• 它的电子样机DMU 是达索系统公司的得意之作。 • “DMU为一实用的对整个产品或产品的部分进行计算机电
子模拟的技术。它需具有完整的功能，包括：集成的造型， 可视化，功能性检测，产品结构和配置管理等功能，为数 据管理， 信息转递和决策过程三大领域提供方案。最终 能更快，更好地以最低成本开发和生产汽车和其它产 品。”
1.5 PTC公司讲的数字样机
• PTC则对数字样机赋予了另一方 面的含义。即数字样机中不仅 包含产品的数字化模型，还包 含各类产品文档的数字化模型， 以及产品设计过程中的计算过 程。
1.6 中国航空制造业 对数字样机的描述
• 数字样机是对产品的真实化、集成化的虚拟仿真， 用于工程设计、干涉检查、机构仿真、产品拆装、 加工制造和维护检测等模拟环境，要求具备集成 化造型、可视化、功能检测、产品结构和配置管 理等完整的功能，并为数据管理、信息传递和决 策过程等三大领域提供方案。它覆盖了产品从概 念设计到售后服务的全生命周期，是支持产品设 计和工作流程控制、信息传递与共享、决策制定 的公共数据平台。
数字样机与数字仿真
—不可抗拒的产品研发新潮
目录
• 1 何谓数字样机和技术
• 1.1 数字样机概念
• 1.2 欧特克讲的数字样 机和数字化样机
• 1.3 西门子讲的数字样 机
• 1.4 达索讲的电子样机
• 1.5 PTC公司讲的数字样 机
• 1.6 中国航空制造业对 数字样机的描述
• 1.7 数字样机的技术特 点
1.10 数字样机的发展阶段
• “甩图板”阶段：从1982年欧特克发布2D绘图标准AutoCAD开 始，到现在还不断有人提出要训练用图板画图，太“落伍” 了！
• 三维（3D）设计阶段：从1988年PTC发布第一个参数化设 计标准软件Pro/E开始，先后诞生了低、中、高端的一系 列三维设计软件。是过渡阶段。
1.8 数字样机应用实例和效益
• 实例1：歼轰-7“飞豹”战机的无图纸设计（数字 样机）。（2003年，用CATIA）
• 效益：由于采用了数字样机技术，才取得了改进 的成功。
• 实例2：波音777的无图纸设计（数字样机）。
（上世纪90年代，用CATIA）
• 效益：开发费用和时间节约50%；设计更改、返工 率减少93%以上；出现问题比传统制造减少50%～ 80%。
• 1.8 数字样机的应用实 例和效益
• 1.9 飞机数字样机的分 类
• 1.10 数字样机的发展阶 段
• 1.11 数字样机研发软件 选用
• 2 何谓数字仿真
• 3 现代先进的产品研发 理念
• 4 我们的教育应符合时 代潮流
• 展示部分自做作品
1 何谓数字样机和技术
• 1.1 数字样机概念
• 数字样机强调将产品整个生命周期的模型实现数 字化，而不仅仅是最终产品的数字化。数字样机 贯穿于从产品的概念设计（工业设计）、工程设 计（基于三维CAD和二维CAD的双向集成，机电软 件混合设计等技术）、工程分析（虚拟仿真）、 市场推广（动漫和3D广告制作）全过程的集成应 用。传统的基于实物物理样机的设计开发试验研 制方法，在很大程度上将被基于计算机的三维数 字样机技术所取代。
1.1.1 狭义数字样机
• 狭义数字样机：从计算机图形学角度出发， 认为数字样机是利用虚拟现实技术对产品 模型的设计、制造、装配、使用、维护与 回收利用等各种属性进行分析与设计，在 虚拟环境中逼真地分析与显示产品的全部 特征，以替代或精简物理样机。
1.1.2 广义数字样机
• 广义数字样机：从制造的角度出发，认为 数字样机是一种基于数字计算机的产品描 述，从产品设计、制造、服务、维护直至 产品回收的整个过程中全部所需功能的实 时计算机仿真，通过计算机技术对产品的 各种属性进行设计、分析与仿真，以取代 或精简物理样机。
歼轰-7“飞豹”战机
波音777飞豹改进型Biblioteka 中国国际航空B777-200
中国南方航空B777-200ER 国泰航空B777
1.9 飞机数字样机的分类
• 按研制进程分为：一级样机（含概念样机、 方案样机）；二级样机；三级样机。
• 按功能分为：结构样机；系统样机；分区样 机；全机样机。
• 为支持培训、市场营销等特殊项目而构建的 数字样机为专用数字样机。