产品开发与数字样机
集成产品开发形式的探究与实行
集成产品开发形式的探究与实行企业发展阶段通过对大多数企业调研分析得出，企业发展大致分为5个阶段：第一阶段：单项目、单产品阶段，对应商业模式为劳动密集型加工、项目生存型模式。
第二阶段：多产品、共享产品和货架平台阶段，对应商业模式为产品扩展型模式，该模式是企业发展不可跨越的阶段。
第三阶段：以共享为核心面向客户需求的阶段，对应商业模式为运营客户型模式。
第四阶段：以产业链为核心的关注利润阶段，对应商业模式为集成产业链型模式。
第五阶段：持续改进阶段。
企业的每一个发展阶段、每一种商业模式的升级，都代表着企业组织和流程发生了变化，集成产品开发模式是帮助企业进入产品扩展阶段的最有效模式。
目前，国际一流企业大多处于第四阶段，我国大多数创新型企业均处于第一阶段到第二阶段，而研究院的某些单项处于第二阶段，还有某些单项尚处于第一阶段。
模型框架的构建针对航天产品研发过程复杂、系统庞大、协作面广、研制周期紧张等特点，研究院基于自身现有信息化能力条件构建了产品研发管理体系模型框架（见图1），其包括4个流程、4个支撑体系和2个团队建设。
4个流程指产品战略流程、市场管理流程、产品开发流程和技术开发流程。
其中，产品开发流程包括概念、计划、开发、验证、发布和产品维护管理6个阶段，其对应研究院的产品研制6个阶段。
4个支撑体系指项目管理支撑体系、质量管理支撑体系、绩效管理支撑体系和成本管理支撑体系。
2个团队指集成开发管理团队（IPMT）和产品开发团队（PDT）。
在集成产品开发模式建设中开展产品研发管理体系要注意以下几点：32图1 产品研发管理体系模型框架图◆“人”、“过程”和“技术”是集成产品开发建设的基本要素。
“人”指的是企业的经营管理者和产品研发人员，他们要具备一定的协同工作能力和专业知识；“过程”是企业在产品研发活动中所采用的组织管理方式；“技术”是“人”在“过程”中所运用的手段和工具，三者相互依赖、相互支持。
◆集成是集成产品开发建设的关键所在。
利用集成的数字样机解决方案加速产品开发
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产品开发区别优势
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程 ， 以进 行 测试 、 字处理软件导出文档 ， 然后再将其
预 测 真 实世 界 中 导入进一个独立的拼写检查程序进 的产品功能和性能 。ＤＭＵ 的一个 行检查 。 接着 ，由于该文字处理软 的变型产品的影响。 最后 ，产品开发 期间 的低 效 率对于一 个产品 的全 面上市 时间 具有 极大 的影 响。Ｃ ＡＤ产品在提 高设计师效率上的效果广为人知。 但是 ，鲜 为人知 的是产品 开发放 缓的许多其它瓶颈 。 例如 ， 仔细想
和 成 本 ， 时 优 化 发现： 同 使用一种与其工作环境 分离 了 产 品 质 量 和 可 的Ｄ ＭＵ应用软件是困难和极具挑
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战性 的。与这种方法相类似 ，设想 下， 在一个文字处理软件上编写
和 使 用基 于 计 算 文档 并使 用一个独立的 、 而不是完 机 的 产品 数 字 化 全集成在文字处理软件 中的拼写检 ３ 表示样机的过 查 程 序将 遇 到 的 困难 ： 要 求 从 文 Ｄ 这
数字样机概念和特点
数字样机概念数字样机技术是以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。
狭义的数字样机认识从计算就图形学角度出发, 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和设计, 在虚拟环境中逼真的分析与显示产品的全部特征, 以替代或精简物理样机。
广义的数字样机从制造的角度出发, 认为数字样机是一种基于计算机的产品描述, 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。
数字样机技术特点无论是狭义的还是广义的数字样机, 都具有以下三个技术特点:（1）真实性。
数字样机的根本存在目的是为了取代或精简物理样机, 所以数字样机必须在仿真的重要方面具有同物理样机相当或者一致的功能、性能或者内在特性, 即能够在几何外观、物理特性以及行为特性上与物理样机保持一致。
（2）面向产品全生命周期。
数字样机是对物理产品全方位的一种计算机仿真, 而传统的工程仿真是对产品某个方面进行测试, 以获得产品该方面的性能。
数字样机是由分布的、不同工具开发的甚至是异构子模型的联合体, 主要包括CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型、使用维护模型以及环境模型。
（3）多学科交叉性。
复杂产品设计通常设计机械、控制、电子、流体动力等多个不同领域。
要想对这些产品进行能够完整而准确的仿真分析, 必须将多个不同学科领域的子系统作为一个整体进行仿真分析, 使得数字样机能够满足设计者进行功能验证与性能分析的要求。
数字样机分类
数字样机分类数字样机是科技发展的结果，根据数字化设计的数学模型逐层逼近并精准加工而成，该技术被广泛应用于工业设计领域。
数字化设计为工业设计带来了革命性的变化，减少了传统手工技艺的繁琐过程，提高了工业设计的效率和精度，创造出了更多卓越的设计作品。
数字样机是数字化设计的成果之一，是从设计文件中产生的物理模型。
数字样机通常是由3D打印机制造而成，可以呈现出精确的模型的多个方面、形状和比例。
数字样机主要有以下几个分类：第一类：快速成型数字样机快速成型数字样机是最先生产的数字样机类型之一。
它采用增材制造技术，利用CAD （Computer-Aided Design）图形文件进行3D打印。
快速成型数字样机是通过添加材料而制造的物理模型。
通常使用的3D打印技术包括: FDM（熔丝沉积建模）、SLA（光固化建模）、SLS（选择性激光烧结）、DLP（数字光刻）和PolyJet等。
第二类：激光切割数字样机激光切割数字样机又称为二维数字样机。
它是一种基于纸板或其他类似材料的切形状的数字样机。
该数字样机可通过简单的板材设计制造，并可通过带有激光割线的计算机控制器进行切割。
第三类：数字雕塑版数字雕塑版是一种沉积式制造数字样机，利用石膏型来制造物理模型。
该数字样机一般是为雕刻、纹理和表面质量等复杂形状的设计提供的。
数字雕塑版可使用先进的CAD软件进行设计，同时可以使用高速摄影机来捕捉物理模型的动作。
第四类：数字模具数字模具是一种采用CAD图形作为计算机程序的数字样机，应用于模具的开发。
数字模具可以大大缩短模具的开发周期，并提高模具的精度和质量。
数字模具的制造通常使用FDM制造。
由于数字模具具有高精度、高稳定性和可靠性，因此成为现代制造业的一个重要组成部分。
第五类：表面样机表面样机主要应用于为工业产品制造表面材料，例如模拟汽车内饰、家具和电子产品外壳等。
表面样机可以为设计者提供非常精细的细节，并且可以与零部件进行特定设计以确保紧密接合。
数字样机在我国飞机设计中的应用与发展思路
数字样机在我国飞机设计中的应用与发展思路飞机数字化设计已在国内某些飞机的局部设计中开始应用，但飞机全机采用三维全数字设计则尚无先例。
中国航空工业第一集团公司所属的西安飞机设计研究所用1年多的时间，解决了飞机全机三维数字化设计的重大技术关键，成功地攻克了飞机全机三维外形建模的难关，建立了三维外形数模，实现了结构、管路、系统的三维设计、三维协调、三维预装配生成全机数字样机的历史性突破。
我国首架飞机数字样机的问世，标志着西安飞机设计研究所的设计水平已基本进入数字化设计阶段，该成果为“十五”期间的以“全机、全过程、全数字化”为技术特征的飞机设计应用，实现飞机研制生产从以模拟量传递为主转变到以数字量传递为主，从采用物理样机协调为主转变到采用数字样机协调为主作了一定的技术准备；为我国航空行业由传统的飞机研制模式向数字化设计制造的现代化研制模式的转变奠定了基础。
1、实现三维外形建模和全机数字化样机设计多年来，由于坚持数字化技术的基础设施建设和应用技术研究，全所的数字化设计环境有了很大改善，数字化技术的应用水平也有很大提高。
1999年，在某型飞机研制正式批准立项后，经过认真细致的调研，全面分析了国内外数字化技术的应用状况和水平，最终决策在型号研制中全面采用三维数字化飞机设计技术。
通过1年的艰苦攻关,我所率先在国内的飞机研制中采用并行工程和无纸设计技术，实现了三维外形建模、三维结构设计、结构件和主要飞机系统件的预装配，最终建成了5万多个零组件、43万多个标准件、可全面应用于生产的全机数字样机。
经过制造的全面检验,证明采用数字样机可缩短60%的设计周期,提高了设计质量,减少了40%的设计反复。
原设计周期为2年6个月，现仅用了1年的时间就全面完成了发图任务。
全数字化设计的飞机首飞成功后，经统计，原有同等规模的飞机在制造过程中约有工程更改单7000张左右，在采用了数字化设计手段后，工程更改单减少到了1082张。
结构件和机加件的生产，由于在数字样机阶段就作了全面协调，在生产中都是一次制造成功，装配到位，没有出现大的返工。
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
数字化设计制造技术基础
第一章数字化设计制造是现代产品研制的基本手段。
先进制造技术的特征：(1)先进制造技术是制造技术的最新发展阶段；(2)先进制造技术贯穿了制造全过程以至产品的整个生命周期；(3)先进制造技术注重技术与管理的结合；(4)先进制造技术是面向工业应用的技术。
设计制造技术主要表现在全球化、网络化、虚拟化、智能化和绿色化等几个方面。
任何一种产品的研制过程从大的方面可以划分为设计与制造两部分。
可以将产品的制造过程的基本要素抽象为产品（product）、工艺过程（process）、制造资源（resource），即PPR模型，实际的过程是三个要素相互耦合作用的结果。
串行设计与并行设计：(1)串行设计的组织模式是递阶结构，各个阶段的活动是按时间顺序进行的，一个阶段的活动完成后，下一个阶段的活动才开始，各个阶段依次排列，都有自己的输入和输出。
(2)并行设计的工作模式是在产品设计的同时就考虑后续阶段的相关工作，包括加工工艺、装配、检验等，在并行设计中产品开发过程各个阶段的工作是交叉进行的。
数字化设计制造基本概念：(1)数字化是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程。
(2)数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。
数字化设计制造的内涵是支持产品开发全过程、支持产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数据管理是核心。
(3)数字化制造是指对制造过程进行数字化描述而在数字空间中完成产品的制造过程是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也使制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。
(4)数字化设计制造本质上是产品设计制造信息的数字化，它将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来。
典型的CAD模型标准交换格式，DXF、DWG、JGES、STEP。
CATIA数字样机
CATIA数字样机CATIA（Computer Aided Three-dimensional Interactive Application）数字样机是一种CAD（计算机辅助设计）软件。
它具有强大的建模及设计能力，广泛应用于汽车、航空航天、船舶等工业领域。
本文将介绍CATIA数字样机的应用及其在制造行业中的重要作用。
一、CATIA数字样机简介CATIA数字样机是一种基于计算机辅助设计（CAD）的工具，它可以帮助设计师快速建立并修改三维模型。
它提供了丰富的功能和工具，使得设计师能够完整展示产品的外观和结构细节。
这在产品设计和开发过程中起到了至关重要的作用。
二、CATIA数字样机在汽车工业中的应用1. 汽车外观设计通过CATIA数字样机，汽车设计师可以根据客户需求快速生成三维模型，并进行修改和优化。
这有助于设计师更好地理解设计概念，提高设计效率。
同时，数字样机可以模拟不同光照条件下的效果，帮助设计师做出更准确的外观设计决策。
2. 汽车结构设计CATIA数字样机不仅可以用于汽车外观设计，还可以用于汽车结构设计。
它可以帮助设计师进行虚拟装配和碰撞测试，验证汽车零部件的可靠性和安全性。
这大大缩短了产品开发周期，并减少了制造成本。
3. 汽车模拟与分析CATIA数字样机还具有强大的模拟和分析能力。
它可以模拟汽车在不同条件下的运行情况，包括动力学、风阻、悬挂系统等。
设计师可以通过数字样机对汽车进行性能优化，提高产品的市场竞争力。
三、CATIA数字样机在航空航天工业中的应用1. 飞机设计CATIA数字样机在飞机设计中起到了至关重要的作用。
设计师可以使用数字样机进行飞机结构和外观的建模和优化。
数字样机还可以帮助设计师进行虚拟装配和碰撞测试，确保飞机的结构和安全性。
2. 航空发动机设计CATIA数字样机可以帮助航空发动机设计师进行三维建模和优化。
数字样机可以模拟不同工况下的发动机性能，并进行性能优化。
这有助于提高发动机的燃烧效率和推力，减少燃料消耗。
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优化
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数字样机/校核验证 （DMU数字样机模块）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ束
产品开发与数字样机
(面向机电类产品开发）
产品开发与数字样机
结构功能设计 输出结果
设计需求/技术文档
搭建概念模型 （自顶向下设计理念） 功能结构验证 （装配设计模块） 产品结构分解 详细结构设计 （曲面、实体混合设计）
分析
装配总成、分析 （装配设计模块） 运动机构仿真分析 （运动机构仿真模块） 力学特性分析 （分析与模拟模块） 人机工程分析 （人机工程学设计与 分析模块）