《智能制造基础与应用》2.2 数字化设计与仿真

智能制造基础与应用高等职业教育“十三五”规划教材

*智能制造基础与应用

第二章智能制造数字化基础第二节数字化设计与仿真第三节数字化工艺第四节数字化加工与装配第五节数字化控制第六节数字化生产管理第七节数字化远程维护第一节概述数字化设计与仿真2第二节

*智能制造基础与应用数字化设计推动信息化进程向前发展，而仿真则是验证设计结果的有效有段。在现代制造企业产品设计和制造过程中，数字化设计和仿真一直是不可或缺的两个工具，在缩减经费、缩短开发周期、提高产品质量方面发挥了巨大作用。一、数字化设计与仿真的基本概念“数字化设计与仿真”是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术，即在网络和计算机辅助下通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。

*智能制造基础与应用二、数字化设计与仿真和传统设计的比较计算机技术、信息技术、网络技术等的飞速发展，使得设计过程中各个设计阶段所采用的设计工具、设计理念、设计模式发生了深刻的变化.

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传统设计数字化设计设计方式手工绘图计算机绘图设计工具绘图板、丁字尺、圆规、铅笔、橡皮等计算机、网络、CAD/CAE软件、绘图机、打印机等产品表示二维工程图纸、各种明细表等三维CAD模型、二维CAD电子图纸、BOM等设计方法经验设计、手工计算、封闭收敛的设计思维基于三维的虚拟设计、智能设计、可靠性设计、有限元分析、优化设计、动态设计、工业造型设计等现代设计方法工作方式串行设计、独立设计并行设计、协同设计管理方式纸质图档、技术文档管理基于PDM的产品数字化管理仿真方式物理样机虚拟样机、物理样机特点过早进入物理样机阶段，从设计到物理样机反复迭代修正由个人经验、手工计算带来的设计错误，设计周期长，成本高形象直观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观和色彩设计等采用虚拟样机进行实现。设计错误少，设计周期短、成本低传统设计与数字化设计各方面比较

*智能制造基础与应用三、数字化设计与仿真基本技术1.CAX工具CADCAMCAE

*智能制造基础与应用2.并行工程并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。

*智能制造基础与应用四、先进数字化设计与仿真技术-虚拟样机1.产生背景传统的设计方式要经过图纸设计、样机制造，测试改进、定型生产等步骤，为了使产品满足设计要求，往往要多次制造样机，反复测试，费时费力、成本高昂。虚拟样机技术的出现，改变了传统的设计方式，采用数字技术进行设计。它能够在计算机上实现设计——试验——设计的反复过程，大大降低了研发周期和研发资本，能够快速响应市场，适应现代制造业对产品T（time）、Q（quality）、C（cost）、S（services）、E（environment）的要求，极大地促进了敏捷制造的发展，推动了制造业的数字化、网络化、智能化。

*智能制造基础与应用2.虚拟样机技术定义虚拟样机技术(VirtualPrototyping,VP)是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术(指在某一系统中零部件的CAD和FEA技术)揉合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计,提高产品性能的一种新技术。

*智能制造基础与应用3.虚拟样机分类虚拟样机按照实现功能的不同可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机。结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。新产品设计首先表现出来的就是产品的外观形状是否满意,其次,零部件能否按要求顺利安装,能否满足配合要求,这些都是在产品的虚拟样机中得到检验和评价的。功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理,如机构运动学仿真和动力学仿真。新产品在满足了外观形状的要求以后,就要检验产品整体上是否符合基于物理学的功能原理。这一过程往往要求能实时仿真,但基于物理学功能分析,计算量很大,与实时性要求经常冲突。

*智能制造基础与应用4.虚拟样机技术特点（1）新的研发模式传统的研发方法是一个串行过程,而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化。它基于并行工程使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应,直至获得最优的工作性能。（2）更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验,从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案,因此不但减少了物理样机的数量,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。（3）实现动态联盟的重要手段动态联盟的概念即为了适应快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性,出现了在一定时间内,通过Internet临时缔结的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造,参盟企业之间产品信息的交流尤显重要。而虚拟样机是一种数字化模型,通过网络输送产品信息,具有传递快速、反馈及时的特点,进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。

*智能制造基础与应用5.虚拟样机的功能组成

计算机仿真

技术虚拟现实技术CAD技术虚拟样机人机互动

*智能制造基础与应用6.虚拟样机的生产流程第一阶段：描述虚拟部件的CAD数据必须产生,并且做针对实时应用的预处理。第二阶段：针对DMU仿真的需要对CAD几何造型进行后处理。第三阶段：将处理好的CAD三维模型连接到虚拟样机内核上，使之与定义好的运动联结(joints)、运动约束(Constraints)的机构系统以及其它子系统有机联系在一起，最后在虚拟样机仿真环境下生成虚拟样机。

*智能制造基础与应用7.虚拟样机技术的应用火星车勇气号虚拟样机火星车勇气号物理样机

*智能制造基础与应用基于虚拟样机的汽车试验虚拟样机在工程机械领域应用

*智能制造基础与应用虚拟样机在产品动力学分析上的

*智能制造基础与应用虚拟样机在机械系统参数优化设计上的应用---洗衣机的震动模拟

*智能制造基础与应用虚拟样机在飞行器设计上的应用---飞行模拟

*智能制造基础与应用五、案例分析1.数字化设计底座三维实体模型掩护梁三维实体模型液压支架传统设计是一种基于经验、类比的设计模式，这种建立在物理样机上的研发模式，成本高，开发周期长。如果物理样机试验不够充分，产品定型后会造成不可预知的结果，从而影响到液压支架的质量。

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2.虚拟装配液压支架三维实体模型液压支架零件的三维实体模型完成后，为了建立数字化样机，需要对其各个零件进行虚拟装配。通过确定零件之间的位置约束关系，可以把支架中的各个三维实体零件装配成一个整体——液压支架数字化样机。零件的准确装配是液压支架运动仿真的前提，装配关系的正确与否直接影响着液压支架运动仿真能否正确实现。通过仿真结果，可以根据需要对生成的零件和特征进行修改定义，直至达