數(shù)字樣機與數(shù)字仿真-不可抗拒的產(chǎn)品研發(fā)新潮

1、數(shù)字樣機與數(shù)字仿真,—不可抗拒的產(chǎn)品研發(fā)新潮,目錄,1 何謂數(shù)字樣機和技術(shù)1.1 數(shù)字樣機概念1.2 歐特克講的數(shù)字樣機和數(shù)字化樣機1.3 西門子講的數(shù)字樣機1.4 達索講的電子樣機1.5 PTC公司講的數(shù)字樣機1.6 中國航空制造業(yè)對數(shù)字樣機的描述1.7 數(shù)字樣機的技術(shù)特點1.8 數(shù)字樣機的應(yīng)用實例和效益,1.9 飛機數(shù)字樣機的分類1.10 數(shù)字樣機的發(fā)展階段1.11 數(shù)字樣機研發(fā)軟件選用

2、2 何謂數(shù)字仿真3 現(xiàn)代先進的產(chǎn)品研發(fā)理念4 我們的教育應(yīng)符合時代潮流展示部分自做作品,1 何謂數(shù)字樣機和技術(shù),1.1 數(shù)字樣機概念數(shù)字樣機強調(diào)將產(chǎn)品整個生命周期的模型實現(xiàn)數(shù)字化，而不僅僅是最終產(chǎn)品的數(shù)字化。數(shù)字樣機貫穿于從產(chǎn)品的概念設(shè)計（工業(yè)設(shè)計）、工程設(shè)計（基于三維CAD和二維CAD的雙向集成，機電軟件混合設(shè)計等技術(shù)）、工程分析（虛擬仿真）、市場推廣（動漫和3D廣告制作）全過程的集成應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于實物物理樣機的設(shè)計

3、開發(fā)試驗研制方法，在很大程度上將被基于計算機的三維數(shù)字樣機技術(shù)所取代。,1 何謂數(shù)字樣機和技術(shù),數(shù)字樣機技術(shù)是以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，融合虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)、三維計算機圖形技術(shù)，將分散的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和分析過程集成在一起，使產(chǎn)品的設(shè)計者、制造者和使用者在產(chǎn)品的早期可以直觀形象地對數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計方法。,1.1.1

4、狹義數(shù)字樣機,狹義數(shù)字樣機：從計算機圖形學(xué)角度出發(fā)，認為數(shù)字樣機是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對產(chǎn)品模型的設(shè)計、制造、裝配、使用、維護與回收利用等各種屬性進行分析與設(shè)計，在虛擬環(huán)境中逼真地分析與顯示產(chǎn)品的全部特征，以替代或精簡物理樣機。,1.1.2 廣義數(shù)字樣機,廣義數(shù)字樣機：從制造的角度出發(fā)，認為數(shù)字樣機是一種基于數(shù)字計算機的產(chǎn)品描述，從產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)、維護直至產(chǎn)品回收的整個過程中全部所需功能的實時計算機仿真，通過計算機技術(shù)對產(chǎn)品的各種屬性

5、進行設(shè)計、分析與仿真，以取代或精簡物理樣機。,1.2 歐特克講的數(shù)字樣機和數(shù)字化樣機,數(shù)字樣機是相對于物理樣機的概念，是一個能夠考察產(chǎn)品的外型、裝配性、可加工性以及功能特性的三維數(shù)字模型，而數(shù)字化樣機是開發(fā)和應(yīng)用數(shù)字樣機的過程，是在產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字階段，使用數(shù)字樣機進行設(shè)計、優(yōu)化、分析、模擬、數(shù)據(jù)管理乃至市場宣傳的技術(shù)解決方案。,數(shù)字樣機流程圖,概念設(shè)計,,工程設(shè)計,,數(shù)字仿真,,工藝設(shè)計,,生產(chǎn)制造,,使用維護,請看歐特克錄制的視頻,

6、1.3 西門子講的數(shù)字樣機,Siemens PLM，即原來的UGS公司在NX5軟件中推出了主動數(shù)字樣機技術(shù)。該技術(shù)將輕量化三維模型內(nèi)置于數(shù)字樣機之中，實現(xiàn)輕量化三維模型和實體模型的混合應(yīng)用。該技術(shù)的最大優(yōu)點是，設(shè)計師需要編輯的部分采用實體模型，確保精度，而其它部分采用輕量化三維模型，大大提高顯示速度。使得數(shù)字樣機的顯示和編輯對計算機硬件的要求大大降低。,1.4 達索講的電子樣機,法國達索系統(tǒng)公司的數(shù)字樣機概念則強化了對產(chǎn)品的詳細設(shè)計、

7、三維可視化、制造過程仿真、工程分析實現(xiàn)集成應(yīng)用。 它的電子樣機DMU 是達索系統(tǒng)公司的得意之作?！癉MU為一實用的對整個產(chǎn)品或產(chǎn)品的部分進行計算機電子模擬的技術(shù)。它需具有完整的功能，包括：集成的造型，可視化，功能性檢測，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置管理等功能，為數(shù)據(jù)管理， 信息轉(zhuǎn)遞和決策過程三大領(lǐng)域提供方案。最終能更快，更好地以最低成本開發(fā)和生產(chǎn)汽車和其它產(chǎn)品。”,1.5 PTC公司講的數(shù)字樣機,PTC則對數(shù)字樣機賦予了另一方面的含義。即數(shù)字樣

8、機中不僅包含產(chǎn)品的數(shù)字化模型，還包含各類產(chǎn)品文檔的數(shù)字化模型，以及產(chǎn)品設(shè)計過程中的計算過程。,1.6 中國航空制造業(yè)對數(shù)字樣機的描述,數(shù)字樣機是對產(chǎn)品的真實化、集成化的虛擬仿真，用于工程設(shè)計、干涉檢查、機構(gòu)仿真、產(chǎn)品拆裝、加工制造和維護檢測等模擬環(huán)境，要求具備集成化造型、可視化、功能檢測、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置管理等完整的功能，并為數(shù)據(jù)管理、信息傳遞和決策過程等三大領(lǐng)域提供方案。它覆蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計到售后服務(wù)的全生命周期，是支持產(chǎn)品設(shè)計和工

9、作流程控制、信息傳遞與共享、決策制定的公共數(shù)據(jù)平臺。,1.7 數(shù)字樣機的技術(shù)特點,無論是狹義的還是廣義的數(shù)字樣機，都具有如下技術(shù)特點： ⒈真實性。⒉面向產(chǎn)品全生命周期。⒊多學(xué)科交叉性。⒋全面實現(xiàn)數(shù)字化。強調(diào)將產(chǎn)品整個生命周期的各個研發(fā)環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字化。⒌不需要制造成本，不僅能一直保持最新版本的設(shè)計方案，而且所有數(shù)據(jù)都可以進行保存、回溯和跟蹤。⒍綠色環(huán)保。,1.8 數(shù)字樣機應(yīng)用實例和效益,實例1：殲轟-7“飛豹”戰(zhàn)機的無圖紙設(shè)

10、計（數(shù)字樣機）。（2003年，用CATIA）效益：由于采用了數(shù)字樣機技術(shù)，才取得了改進的成功。實例2：波音777的無圖紙設(shè)計（數(shù)字樣機）。（上世紀90年代，用CATIA）效益：開發(fā)費用和時間節(jié)約50%；設(shè)計更改、返工率減少93%以上；出現(xiàn)問題比傳統(tǒng)制造減少50%～80%。,殲轟-7“飛豹”戰(zhàn)機,波音777,中國國際航空B777-200,中國南方航空B777-200ER,國泰航空B777,飛豹改進型,1.9 飛機數(shù)字樣機的分類,按研

11、制進程分為：一級樣機（含概念樣機、方案樣機）；二級樣機；三級樣機。按功能分為：結(jié)構(gòu)樣機；系統(tǒng)樣機；分區(qū)樣機；全機樣機。為支持培訓(xùn)、市場營銷等特殊項目而構(gòu)建的數(shù)字樣機為專用數(shù)字樣機。,1.10 數(shù)字樣機的發(fā)展階段,“甩圖板”階段：從1982年歐特克發(fā)布2D繪圖標準AutoCAD開始，到現(xiàn)在還不斷有人提出要訓(xùn)練用圖板畫圖，太“落伍”了！三維（3D）設(shè)計階段：從1988年P(guān)TC發(fā)布第一個參數(shù)化設(shè)計標準軟件Pro/E開始，先后誕生了低、中

12、、高端的一系列三維設(shè)計軟件。是過渡階段。數(shù)字樣機（“無圖紙”）階段：從上世紀90年代誕生世界第一架數(shù)字樣機“波音777”開始。當今叫得最響的是“歐特克” ，水平最高應(yīng)用時間最早的是“達索” （它稱電子樣機）。“如今，單純的二維或三維設(shè)計的年代已經(jīng)過去，數(shù)字化樣機的時代正在到來?！庇腥巳缡钦f。 2D→3D→數(shù)字樣機，不可抗拒，要急起直追！,1.11 數(shù)字樣機研發(fā)軟件選用,不能搞“百家軍”，要用同一公司（含有緊密合作關(guān)系公司）產(chǎn)品，才

13、能真正實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中每個環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)的無縫對接（集成）。再就是要看行業(yè)（“量體裁衣”），如：中航工業(yè)和一汽用CATIA。,1.11 數(shù)字樣機研發(fā)軟件選用,“歐家軍”值得重視（美中不足是沒有本公司的CAM軟件），“達索” 、“西門子”和“PTC”及本國的“CAXA系列”都是候選對象。還有眾多的小兄弟，我認為不值得一提，用數(shù)字樣機概念來衡量，它們還差得遠。,“歐家軍”軟件,歐特克數(shù)字樣機解決方案包含豐富的功能應(yīng)用，與Autodesk

14、Inventor軟件配合使用，可完整涵蓋從概念設(shè)計到工程設(shè)計以及生產(chǎn)制造的全部流程?！　《贪寤蚪熊浝呤菙?shù)控加工軟件要用“SolidCAM”。,“歐家軍”軟件,AutoCAD Electrical ：幫助電氣設(shè)計工程師快速完成電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。大型電氣控制設(shè)計項目可設(shè)置單獨的元器件型號庫，其項目設(shè)計團隊可快速訪問并調(diào)用該庫。,“歐家軍”軟件,AutoCAD Mechanical ：優(yōu)化增強公差尺寸標注功能，改善操作環(huán)境。用戶甚至不用點擊

15、任何命令或打開任何對話框，就可以快速、直接的進行公差尺寸的標注，并將文件屬性添加到這些注釋中。,“歐家軍”軟件,Autodesk Algor Simulation ： 這一機械仿真分析工具現(xiàn)已與Autodesk Moldflow 軟件集成，工程師在進行塑料零件結(jié)構(gòu)分析時可以利用Moldflow分析結(jié)果和Moldflow材料數(shù)據(jù)庫。,“歐家軍”軟件,Autodesk Alias 系列：包括Alias Sketch、Alias Design

16、、Alias Surface和Alias Automotive，提供了A級曲面設(shè)計及編輯功能，是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的繪圖、建模和可視化工具。新的Autodesk Alias Sketch軟件獨特的手繪功能和矢量化工作流程可幫助創(chuàng)意專業(yè)人士迅速將構(gòu)思轉(zhuǎn)化為引人注目的產(chǎn)品模型。,“歐家軍”軟件,早前，歐特克實驗室推出了Autodesk Inventor Publisher技術(shù)預(yù)覽版，其商業(yè)版軟件也于近日首次亮相。這款易用的制圖軟件能夠創(chuàng)建出效果真實的

17、產(chǎn)品圖紙，制造型企業(yè)可以從設(shè)計到制造的整個過程中使用同一個數(shù)字模型，從而為客戶提供更清晰、更全面的技術(shù)指導(dǎo)。,“歐家軍”軟件,Autodesk Moldflow ：可以幫助用戶在制造過程開始前驗證和優(yōu)化塑料零件和注塑模具的設(shè)計，方便地將Moldflow的模擬結(jié)果輸出到Autodesk Showcase 工業(yè)設(shè)計可視化軟件中，借以顯示出缺陷，查看零件在現(xiàn)實中的外觀，進而幫助評估零件質(zhì)量和做出更好的設(shè)計決策。,“歐家軍”軟件,Autodes

18、k Vault系列：是管理整個數(shù)字樣機流程的工作組級數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，現(xiàn)推出全新視覺體驗，用戶可將Vault信息以圖形方式直接映射到Autodesk Inventor模型中，從而簡化工作流程，從根本上改進報告和決策過程，加快模型選擇及互動的速度。,請看數(shù)字樣機裝配視頻,請看“虛擬數(shù)控機床實訓(xùn)系統(tǒng)”視頻,請看宇龍數(shù)控仿真軟件界面介紹,2 何謂數(shù)字仿真,2.1 仿真概念：利用模型復(fù)現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實驗來研究存在的或

19、設(shè)計中的系統(tǒng)，又稱模擬。,2 何謂數(shù)字仿真,2.2 仿真分類：模擬計算機仿真（簡稱模擬仿真）、數(shù)字計算機仿真（簡稱數(shù)字仿真）、混合計算機仿真（簡稱混合仿真）；實物模型仿真（簡稱物理仿真）、數(shù)學(xué)模型仿真（簡稱數(shù)學(xué)仿真）；連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散系統(tǒng)仿真；機電系統(tǒng)仿真、化工系統(tǒng)仿真…,2 何謂數(shù)字仿真,2.3 仿真模型：仿真模型是被仿真對象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型。,2 何謂數(shù)字仿真,2.4 仿真試驗：為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)

20、構(gòu)和參數(shù)，常常要在仿真模型上進行多次實驗。通過實驗可觀察系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。,2 何謂數(shù)字仿真,2.5 仿真工具：主要指的是仿真硬件和軟件。硬件最主要的是計算機，軟件包括仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。,2 何謂數(shù)字仿真,2.6 仿真軟件：有專用的和集成的兩類。專用的如機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件“ADAMS” （用于對機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析）。集成的如CATIA、UG NX、Creo

21、、Inventor、SolidWorks、SolidEDGE、CAXA實體設(shè)計等。,UGS（現(xiàn)在為Siemens ）的數(shù)字化仿真,UGS公司的數(shù)字化仿真解決方案,涵蓋了從CAD/CAE/CAM到PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）的全過程，它是基于數(shù)字樣機構(gòu)建和數(shù)字化仿真的過程。UGS 數(shù)字化仿真系列軟件與解決方案處于產(chǎn)品設(shè)計/仿真分析集成領(lǐng)域的業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)地位。,請看沖壓仿真視頻,請看哈爾濱工程大學(xué)仿真視頻,CATIA數(shù)字仿真1,CATIA數(shù)字

22、仿真2,CATIA數(shù)字仿真3,CATIA數(shù)字仿真4,CATIA數(shù)字仿真5,SolidWorks數(shù)字仿真1,SolidWorks數(shù)字仿真2,ProE（現(xiàn)在為CREO）運動仿真1、2、3,3 現(xiàn)代先進的產(chǎn)品研發(fā)理念,⒈實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的全程數(shù)字化，包括各種管理文檔。要徹底摒棄只有“手工”才能建立抽象理論概念的過時觀念。⒉基于特征的三維參數(shù)化設(shè)計（含工藝設(shè)計）是基礎(chǔ)性工作。⒊自由建模、直接建模、創(chuàng)新設(shè)計等是概念設(shè)計、設(shè)計修

23、改的不可缺少的先進工具和手段。（在另外一講中詳細闡述）⒋先進的、完善的、上下游協(xié)調(diào)的硬件和軟件是必備條件。⒌要實施優(yōu)化設(shè)計、協(xié)同設(shè)計、并行工程、價值工程、反求工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、物料需求計劃MRPⅡ、企業(yè)資源計劃ERP等。⒍數(shù)字仿真是保證產(chǎn)品性價比和可靠性、安全性等指標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)，而且數(shù)字仿真驅(qū)動數(shù)字設(shè)計會越來越成為時尚。,4 我們的教育培訓(xùn)應(yīng)符合時代潮流,總的想法就是要強化數(shù)字樣機的數(shù)字化設(shè)計和數(shù)字化仿真的教育培訓(xùn)

24、：⒈相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容和方法要實現(xiàn)數(shù)字化。例如：數(shù)字（計算機）繪圖、數(shù)字工程力學(xué)、數(shù)字工業(yè)設(shè)計、數(shù)字機構(gòu)設(shè)計與分析仿真、數(shù)字零部件設(shè)計與結(jié)構(gòu)有限元分析、數(shù)字公差分析、數(shù)字工藝設(shè)計與制造過程仿真、數(shù)字樣機設(shè)計與系統(tǒng)仿真、數(shù)字逼真圖像設(shè)計、數(shù)控編程與加工仿真、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM應(yīng)用等。⒉“3C集成軟件應(yīng)用”應(yīng)該成為“3年學(xué)歷教育”中“不斷線”的主干課程。⒊在學(xué)歷教育中鍛煉一支能夠擔負數(shù)字樣機研發(fā)的教師團隊（邊學(xué)邊教），在培訓(xùn)中顯露我們

25、有可以研發(fā)數(shù)字樣機的實力和水平，在數(shù)字樣機研發(fā)實踐中創(chuàng)造一定的社會效益，甚至獲得一定的經(jīng)濟效益。為此，要轉(zhuǎn)變觀念、統(tǒng)一思想，做好有關(guān)專業(yè)的頂層設(shè)計和實施計劃。重在高起點起步（要“跳一跳”才能達到），建立協(xié)同教學(xué)和研發(fā)數(shù)字樣機的團隊，形成整體實力。,最后展示部分自做作品,應(yīng)用鏡頭眩光效果,修改渲染設(shè)置（模型反射室內(nèi)環(huán)境）,渲染窗口圖像（自做“反射鏡面”模型）,用“圖像編輯器”編輯圖像（縮小與鏡像）,用Pro/E制作的部分數(shù)字圖像,用自拍

26、背景圖片渲染的效果圖,工藝壁燈渲染效果圖（加圖像水印）,傳統(tǒng)茶壺效果圖,塑料食品罐效果圖,用Pro/E制作的部分數(shù)字圖像,用NX制作的部分數(shù)字圖像,前景為雪的真實著色,簡單白色背景效果圖,機匣蓋的效果圖,使用“IBL”及其真實著色,簡單-圖像背景光柵圖像,用聚光燈渲染的效果,用NX制作的部分數(shù)字圖像,渲染最后定義的區(qū)域（左邊為最后定義的區(qū)域，右邊為渲染圖）,渲染工廠背景的零件,用木地板房間布景的貼圖效果圖,現(xiàn)代涼亭效果圖,用SolidW