1、数字样机与数字仿真不可抗拒的产品研发新潮目录 1 1 何谓数字样机和技术何谓数字样机和技术 1.1 1.1 数字样机概念数字样机概念 1.2 1.2 欧特克讲的数字样欧特克讲的数字样机和数字化样机机和数字化样机 1.3 1.3 西门子讲的数字样西门子讲的数字样机机 1.4 1.4 达索讲的电子样机达索讲的电子样机 1.5 1.5 PTCPTC公司讲的数字样公司讲的数字样机机 1.6 1.6 中国航空制造业对中国航空制造业对数字样机的描述数字样机的描述 1.7 1.7 数字样机的技术特数字样机的技术特点点 1.8 1.8 数字样机的应用实数字样机的应用实例和效益例和效益 1.9 1.9 飞机数字
2、样机的分飞机数字样机的分类类 1.10 1.10 数字样机的发展阶数字样机的发展阶段段 1.11 1.11 数字样机研发软件数字样机研发软件选用选用 2 2 何谓数字仿真何谓数字仿真 3 3 现代先进的产品研发现代先进的产品研发理念理念 4 4 我们的教育应符合时我们的教育应符合时代潮流代潮流 展示部分自做作品展示部分自做作品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（
3、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 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。1.1.1 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
4、、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。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
5、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。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。1.4 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
6、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
7、、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。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：真实性。面向产品全生命周期。多学科交叉性。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。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。绿色环保。1.8 数字样机应用实例和效益 实
8、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%。歼轰歼轰-7“-7“飞豹飞豹”战机战机波音波音777777中国国际航空中国国际航空B777-200 中国南方航空中国南方航空B777-200ER 国泰航空国泰航空B777飞豹改进型飞豹改进型 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
9、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。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。数字样机（“无图纸”）阶段：从上世纪90年代诞生世界第一架数字样机“波音777”开始。当今叫得最响的是“欧特克”，水平最高应用时间最早的是“达索”（它称电子样机）。“如今，单纯的二维或三维设计的年代已
10、经过去，数字化样机的时代正在到来。”有人如是说。2D3D数字样机，不可抗拒，要急起直追！1.11 数字样机研发软件选用 不能搞“百家军”，要用同一公司（含有紧密合作关系公司）产品，才能真正实现产品全生命周期中每个环节间的数据的无缝对接（集成）。再就是要看行业（“量体裁衣”），如：中航工业和一汽用CATIA。1.11 数字样机研发软件选用“欧家军”值得重视（美中不足是没有本公司的CAM软件），“达索”、“西门子”和“PTC”及本国的“CAXA系列”都是候选对象。还有众多的小兄弟，我认为不值得一提，用数字样机概念来衡量，它们还差得远。“欧家军”软件 欧特克数字样机解决方案包含丰富的功能应用，与Au
11、todesk Inventor软件配合使用，可完整涵盖从概念设计到工程设计以及生产制造的全部流程。短板或叫软肋是数控加工软件要用“SolidCAM”。“欧家军”软件 AutoCAD Electrical：帮助电气设计工程师快速完成电气控制系统设计。大型电气控制设计项目可设置单独的元器件型号库，其项目设计团队可快速访问并调用该库。“欧家军”软件 AutoCAD Mechanical：优化增强公差尺寸标注功能，改善操作环境。用户甚至不用点击任何命令或打开任何对话框，就可以快速、直接的进行公差尺寸的标注，并将文件属性添加到这些注释中。“欧家军”软件 Autodesk Algor Simulation
12、：这一机械仿真分析工具现已与Autodesk Moldflow 软件集成，工程师在进行塑料零件结构分析时可以利用Moldflow分析结果和Moldflow材料数据库。“欧家军”软件 Autodesk Alias 系列：包括Alias Sketch、Alias Design、Alias Surface和Alias Automotive，提供了A级曲面设计及编辑功能，是业内领先的绘图、建模和可视化工具。新的Autodesk Alias Sketch软件独特的手绘功能和矢量化工作流程可帮助创意专业人士迅速将构思转化为引人注目的产品模型。“欧家军”软件 早前，欧特克实验室推出了Autodesk Inv
13、entor Publisher技术预览版，其商业版软件也于近日首次亮相。这款易用的制图软件能够创建出效果真实的产品图纸，制造型企业可以从设计到制造的整个过程中使用同一个数字模型，从而为客户提供更清晰、更全面的技术指导。“欧家军”软件 Autodesk Moldflow：可以帮助用户在制造过程开始前验证和优化塑料零件和注塑模具的设计，方便地将Moldflow的模拟结果输出到Autodesk Showcase 工业设计可视化软件中，借以显示出缺陷，查看零件在现实中的外观，进而帮助评估零件质量和做出更好的设计决策。“欧家军”软件 Autodesk Vault系列：是管理整个数字样机流程的工作组级数据
14、管理系统，现推出全新视觉体验，用户可将Vault信息以图形方式直接映射到Autodesk Inventor模型中，从而简化工作流程，从根本上改进报告和决策过程，加快模型选择及互动的速度。请看数字样机装配视频请看“虚拟数控机床实训系统”视频请看宇龙数控仿真软件界面介绍2 何谓数字仿真 2.1 仿真概念：利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。2 何谓数字仿真 2.2 仿真分类：模拟计算机仿真（简称模拟仿真）、数字计算机仿真（简称数字仿真）、混合计算机仿真（简称混合仿真）；实物模型仿真（简称物理仿真）、数学模型仿真（简称数学仿真）；连续系统
15、仿真、离散系统仿真；机电系统仿真、化工系统仿真2 何谓数字仿真 2.3 仿真模型：仿真模型是被仿真对象的相似物或其结构形式。它可以是物理模型或数学模型。2 何谓数字仿真 2.4 仿真试验：为了寻求系统的最优结构和参数，常常要在仿真模型上进行多次实验。通过实验可观察系统模型各变量变化的全过程。2 何谓数字仿真 2.5 仿真工具：主要指的是仿真硬件和软件。硬件最主要的是计算机，软件包括仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。2 何谓数字仿真 2.6 仿真软件：有专用的和集成的两类。专用的如机械系统动力学自动分析软件“ADAMS”（用于对机械系统进行静力学、运动学和动力学分析）
16、。集成的如CATIA、UG NX、Creo、Inventor、SolidWorks、SolidEDGE、CAXA实体设计等。UGSUGS（现在为（现在为SiemensSiemens ）的数字化仿真的数字化仿真 UGS公司的数字化仿真解决方案,涵盖了从CAD/CAE/CAM到PLM（产品全生命周期管理）的全过程，它是基于数字样机构建和数字化仿真的过程。UGS 数字化仿真系列软件与解决方案处于产品设计/仿真分析集成领域的业界领导地位。请看冲压仿真视频请看哈尔滨工程大学仿真视频CATIA数字仿真1CATIA数字仿真2CATIA数字仿真3CATIA数字仿真4CATIA数字仿真5SolidWorks数字
17、仿真1SolidWorks数字仿真2ProE（现在为CREO）运动仿真1、2、33 现代先进的产品研发理念 实现产品全生命周期各个环节数据的全程数字化，包括各种管理文档。要彻底摒弃只有“手工”才能建立抽象理论概念的过时观念。基于特征的三维参数化设计（含工艺设计）是基础性工作。自由建模、直接建模、创新设计等是概念设计、设、直接建模、创新设计等是概念设计、设计修改的不可缺少的先进工具和手段。（在另外一讲计修改的不可缺少的先进工具和手段。（在另外一讲中详细阐述）中详细阐述）先进的、完善的、上下游协调的硬件和软件是必备条件。要实施优化设计、协同设计、并行工程、价值工程、反求工程和产品数据管理PDM、物
18、料需求计划MRP、企业资源计划ERP等。数字仿真是保证产品性价比和可靠性、安全性等指标的关键环节和技术，而且数字仿真驱动数字设计会越来越成为时尚。4 我们的教育培训应符合时代潮流总的想法就是要强化数字样机的数字化设计和数字化仿真的教育培训：相关课程的教学内容和方法要实现数字化。例如：数字（计算机）绘图、数字工程力学、数字工业设计、数字机构设计与分析仿真、数字零部件设计与结构有限元分析、数字公差分析、数字工艺设计与制造过程仿真、数字样机设计与系统仿真、数字逼真图像设计、数控编程与加工仿真、产品数据管理PDM应用等。“3C集成软件应用”应该成为“3年学历教育”中“不断线”的主干课程。在学历教育中锻
19、炼一支能够担负数字样机研发的教师团队（边学边教），在培训中显露我们有可以研发数字样机的实力和水平，在数字样机研发实践中创造一定的社会效益，甚至获得一定的经济效益。为此，要转变观念、统一思想，做好有关专业的顶层设计和实施计划。重在高起点起步（要“跳一跳”才能达到），建立协同教学和研发数字样机的团队，形成整体实力。最后展示部分自做作品应用镜头眩光效果 修改渲染设置（模型反射室内环境）渲染窗口图像（自做“反射镜面”模型）用“图像编辑器图像编辑器”编辑图像（缩小与镜像）用Pro/E制作的部分数字图像用自拍背景图片渲染的效果图 工艺壁灯渲染效果图（加图像水印）传统茶壶效果图塑料食品罐效果图用Pro/E制作的部分数字图像用NX制作的部分数字图像前景为雪的真实着色 简单白色背景效果图 机匣盖的效果图 使用“IBL”及其真实着色 简单-图像背景光栅图像 用聚光灯渲染的效果 用NX制作的部分数字图像渲染最后定义的区域（左边为最后定义的区域，右边为渲染图）渲染工厂背景的零件 用木地板房间布景的贴图效果图 现代凉亭效果图 用SolidWorks制作的部分数字图像展示由机械工业出版社出版的著作展示由机械工业出版社出版的著作
