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1、数字化设计及仿真应用 摘要制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAD/CAM软件环境平台，并应用CAD/CAM软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件系统来完成机械设计过程是加速设计效率、提高设计质量的一种重要手段。本文首先介绍了数字化设计的概念和发展历史，然后展望了数字化设计的发展趋势，最后主要探讨了数字化设计和仿真分析技术的应用及效益。关键词：机械产品；数字化设计；仿真分析目录1.引言12.数字化设计技术12.1 数字化设计技术的特点12.2 数字化设计技术发展历史22.3 数字化设计技术发展趋势23.数字化仿真技术
2、23.1 数字化建模技术23.2 数字化仿真与虚拟现实技术33.3 有限元分析技术34.数字化设计及仿真的应用和效益44.1 数字化设计及仿真的应用44.2 数字技术带来的效益54.2.1 产品设计的效益54.2.1 工艺规划的效益54.2.3 业务规划和生产效益65.数字化设计及仿真的意义65.1 数字化设计技术的意义75.2 数字化仿真的意义76.结束语81. 引言随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环境发生了重大的变化。为此，制造企业的战略从20世纪50年代和60年代资源经济的“规模效益第一”，经过70年代和80年代“价格竞争第一”和“质量竞争第一”发展到90
3、年代“市场响应速度第一”及面向21世纪知识经济的“技术创新第一”。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于：在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，促进传统产业在各个方面的技术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。数字化设计与制造是计算机辅助技术、系统及集成技术的重要组成部分，它是向网络化制造和虚拟化技术发展的基础，它使原有的传统制造业变成了智力型的工业，使企业主要通过资源要素如劳动力、设备
4、、资金竞争逐渐变为以创新能力知本型为焦点的竞争。这正是知识经济时代最重要的特征。2. 数字化设计技术随着信息技术和通信技术的发展，数字化时代正在到来数字化技术是指利用计算机软硬件及网络、通信技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析、综合优化，从而达到精确描述和科学决策的过程和方法。数字化技术具有描述精度高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点，因此数字化技术为各个领域的科技进步和创新提供了崭新的工具。数字化技术与传统制造技术的结合称为数字化制造技术。30年来数字化制造的应用范围不断扩大，数字化制造技术已逐渐成为制造业信息化中的主流技术和核心技术由于数字化技术是科学分
5、析和科学决策的理论基础，提供了从定性到定量、从模糊到精确、从直觉到科学的工具，因而数字化技术推动了制造科学的发展和进步。目前制造业的几个重要发展方向，如精密化、自动化、集成化、虚拟化、网络化、全球化，无一不与数字化技术的发展密切相关。因此，面对制造业全球化竞争的日益激烈，必须重视数字化制造技术在我国的形成和发展。2.1 数字化设计技术的特点20世纪有许多重大高新技术的应用，但没有一项技术的影响像信息技术和数字化技术那样深，那样广。由于数字化技术的可控性、可变性、离散性、可视性、集成性，产生了很多新的现代设计方法、工艺技术和管理模式。2.2 数字化设计技术发展历史CAD技术起步于20世纪50年代
6、后期，60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD开始迅速发展。20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，维曲面造型系统的出现使CAE ，CAM技术有了较大发展。进入80年代中期，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。此时众多CAD/CAM/CAE软件开发公司群雄逐鹿。80年代后期到90年代，CAD向系统及集成化方向发展，这将引起CAD发展史的第四次革命。2.3 数字化设计技术发展趋势 先进机械制造技术发展总趋势是精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、集成化及管理的创新，而数字化设计与制造技术是先进制造技术的基础随着计算机技术的不断提
7、高，Internet网络技术的普及应用，以及用户的需求，CAM,CAE,PDM等技术的发展，必将有力促进数字化设计技术的进一步发展。数字化设计技术发展趋势主要有:（1）单项技术向完善化发展。在CAD/CAM中的技术主要有:曲面建模技术、曲面与实体集成技术、实体建模技术、大型组件设计技术等。（2）PDM与CAD/CAPP的技术集成技术。当前和今后一个时期，主要集中在封装、接口和集成技术（3)数字化设计与虚拟制造的无缝连接基于CAD技术和以计算机支持的仿真技术，形成虚拟的环境，虚拟的制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高一次成功率。币数字化设计的网络化网络技术使得并行协同
8、异地设计成为可能，必将极大的拓展强化提高数字化设计的效能。网络技术的高速发展推动网络设计制造技术的发展和广泛应用。企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户订单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最近用户的生产基地制造成产品。3. 数字化仿真技术数字化仿真分析技术(CAE )，采用有限元分析方法(FEM)来模拟传动部件的力学性能，发现设计缺陷、减轻重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素，提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命，进而提高传动产品的综合性能。通过数字化仿真，可以模拟零部件的力学性能，以保证零件满足需要的性能，从而达
9、到提高材料利用率、优化产品结构、提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命的目标。此外，数字化仿真的结果还可以为企业未来的产品设计提供理论依据，从而可以克服研发流程的瓶颈，使产品的质量和创新得到改进和提升，并充分满足客户的时间、质量和成本这三个既相互依存又相互制约的要素。3.1 数字化建模技术数字化建模技术是产品设计中的核心技术，它包括产品建模和过程建模。(1)产品建模产品建模技术研究如何在计算机内部描述和表达处于产品开发生命周期内各阶段的产品，包括产品需求信息、项目信息、产品文档信息、产品几何信息、虚拟样机信息等，它是实现数字化设计和信息集成的基础。在产品数字化建模中，基于特征和参数化的混合建模
10、技术是一种新一代建模技术。由于特征建模技术在设计时考虑制造、装配等问题，从设计方法学角度看，它体现了并行性和集成性。(2)过程建模过程(Process)是一种或多种输入产生的有价值的输出活动的合。产品开发过程模型一般由产品开发活动、实现活动所需资源、每个活动所需输入、输出及各活动间的控制顺序关系组成，所以过程模型实质上是对活动以及与活动相关的信息流、物流的描述。由于产品开发过程的复杂性，很难用一个模型进行描述，往往采用多视图和复合过程模型描述所谓多视图，即从产品信息、开发活动、企业资源和组织结构等多方面进行描述，通过集成化方法产生模型间映射机制复合过程模型描述包括过程、产品数据及资源数据的复合
11、，也包括复合各种模型的特点，如功能模型中的结构分析、动态模型中的状态转移及对象模型中的封装、继承等特点。目前，过程建模的描述方法有基于语言的描述方法(Express语言)、基于图形的描述方法(IDEF3、E-R)、基于规则的描述方法和基于Petri网的描述方法。过程建模表达的是过程执行的活动，这些活动或者按顺序依次执行，或者并发执行，这取决于过程管理的机制。3.2 数字化仿真与虚拟现实技术数学计算和仿真分析是数字化产品开发的关键技术之一，也是验证产品设计方案或预测产品性能、产品可制造性、可装配性、可使用性、减少产品开发中错误的重要手段和工具随着开发过程集成度要求的不断增加，以及多媒体技术和仿真
12、技术的发展，己提供了多种仿真工具和虚拟现实工具，不仅可对产品性能、可制造性、可维护性、可使用性、成本和外观等进行预测和评估，而且利用虚拟现实的交互性、沉浸性和想象性可实现产品开发环境的高度真实感，使人可直接对虚拟原型进行实时交互操作，产生身临其境的感觉。3.3 有限元分析技术随着市场竞争的日益激烈，随着经济、社会和环境效益要求的提高，今天的产品设计已离不开有限元分析技术的支持。目前，有限元分析在产品开发设计中的应用主要有以下几个方面：（1）静力学分析静力学分析是对二维或者三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析，是有限元在产品开发中最基本、最常用的分析类型。当作用在产品结构上的载荷不随时间
13、的变化或者随时间变化十分的缓慢，应进行静力学分析。（2）模态分析模态分析是动力学分析的一种，用于研究产品结构的固有频率和自振模式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和应力载荷。（3）谐响应分析和瞬态动力学分析这两类分析属动力学分析，用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。（4）热应力分析这类分析用于研究产品结构的工作温度不等于安装温度，或工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力。（5）接触分析这是一种状态非线性分析，用于分析两个结构物体发生接触时的接触面状态、法向力等。由于产品结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在产品结构中的应用很多是接触
14、分析。但是，以前受计算能力的制约，接触分析应用得较少。（6）屈曲分析这是一种几何非线性分析，由于确定结构开始变得不稳地时的临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。有限元分析法等CAE技术的发展与应用，为产品技术人员带来了全新的设计方法，不断的更新产品设计人员的设计理念，为其能够迅速及时的开发出适应市场需求的产品带来了极大的方便。随着生产和科技的不断发展，市场竞争的更加激烈，产品技术人员还需要更好的、更适应时代要求的CAE技术。4. 数字化设计及仿真的应用和效益4.1 数字化设计及仿真的应用机械产品门类广、种类多、市场需求潜力巨大。目前我国机械领域的数字化程度在具体行业中存在较大差距。如农机
15、企业普遍采用传统设计方法，在应用现代设计方法上远远落后于航天、汽车等其他行业。农机企业之间重复型设计多，企业信息资源利用率低。 同时在同一行业的不同企业中产品的数字化也有一定程度差别。虽然有些企业具备一般制造业运用CAD技术的能力，且已达到一定的水平，但由于技术储备、装备水平以及新产品的研发能力等方面相对落后，三维CAD软件在机械制造企业中的应用还不够普遍。尽管有些领先的企业已经探讨“数字样机”、“并行工程”、“虚拟仿真”等前沿课题但总体来说离大规模推广应用还有很大距离。再次机械产品的整体技术水平、质量、生产规模、企业素质与发达国家相比差距也很大，特别是新产品品种不多、发展滞后，可靠性、使用寿命满足不了用户要求。 近年来，将数字化设计技术应用于产品的研究与开发的实例正不断增多。今后数字化设计技术在产品设计开发行业中的发展趋势，应注重以下几点：（1）重视虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境沉浸感觉的技术。采用虚拟现实技术，不但可以在机构运动上加以仿真，还可以通过有限元分析，优化设计方法对机构的动力学加以分析、仿真，对各构件参数进行优化。（2）强调产品协同设计。良好的协同设计环境，可以尽早地发现并解决产品方案和结构设计。乃至制造和装备中存在的问题，还可以大幅度缩短机械产品的开发周期，降
