面向并行工程的虛擬樣機設(shè)計方法研究

李瑞濤

(金蜂通信有限責(zé)任公司，北京 100083)

隨著21世紀(jì)世界經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈。產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個性化方向發(fā)展。面對無法預(yù)測、持續(xù)發(fā)展的市場需求，面對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計復(fù)雜性障礙，產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)部門非常需要能有效地提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

由于產(chǎn)品設(shè)計階段決定了70%以上的產(chǎn)品成本，而設(shè)計階段的費用占產(chǎn)品成本的10%~15%，因此，產(chǎn)品設(shè)計階段采用的方法在產(chǎn)品研發(fā)全過程中占有重要的地位。本文就傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)中存在的弊病，分析了并行工程對產(chǎn)品設(shè)計的要求，提出了虛擬樣機設(shè)計方法，并構(gòu)筑了該方法的模型框架[1-3]。

1 虛擬樣機與并行工程

20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了一種新的產(chǎn)品生命周期管理方法，通過建立在企業(yè)不同職能部門之間協(xié)作基礎(chǔ)之上的并行運行方式來取代連續(xù)的、泰勒式的任務(wù)處理方式。把時間作為關(guān)鍵因素，以縮短產(chǎn)品上市時間為目標(biāo)，全方位地解決從設(shè)計到產(chǎn)品報廢的整個產(chǎn)品生命周期所用時間問題，這種管理過程就是并行工程CE(Concurrent Engineering)或同步工程(SE)。CE是形成產(chǎn)品開發(fā)過程的一種指導(dǎo)方案，其目標(biāo)就是使產(chǎn)品決策盡可能早地進行，而不是在產(chǎn)品開發(fā)之后的產(chǎn)品制造階段和使用階段才發(fā)現(xiàn)是正確的或錯誤的。這樣可進行無資源浪費地錯誤修改，使得開發(fā)產(chǎn)品不同零組件的工作盡可能平行進行，并且產(chǎn)品規(guī)劃和過程計劃相互之間不斷協(xié)調(diào)。CE應(yīng)將以前只能通過順序的運行過程連接的工廠部門引導(dǎo)至交互地解決問題。并行設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)過程并行地實施，使設(shè)計及相關(guān)過程并行化、一體化、系統(tǒng)化的工作模式。這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品的生命周期。并行工程的工作重心是產(chǎn)品并行設(shè)計，并行設(shè)計工作模式是在產(chǎn)品設(shè)計的同時考慮其相關(guān)過程，包括加工工藝、裝配、檢測、質(zhì)量保證、銷售、維護等。在并行設(shè)計中，產(chǎn)品開發(fā)過程的各階段工作交叉進行，可及早發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)過程不相匹配的地方，并及時評估、決策，以達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高質(zhì)量、降低成本的目的。

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)向集成化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的方向進一步發(fā)展，出現(xiàn)了精益生產(chǎn)、敏捷制造、擬實制造、大批量定制生產(chǎn)等多種生產(chǎn)模式，這些都是以并行工程和并行設(shè)計為基礎(chǔ)的。虛擬樣機這一新技術(shù)正是在這樣的背景下應(yīng)運而生。

所謂虛擬樣機就是在建造第一臺(或件)物理樣機之前，利用軟件技術(shù)建立的數(shù)字化模型，即虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運動學(xué)和動力學(xué)的特性。通過對虛擬樣機采用基于實體可視化的仿真分析，模擬該系統(tǒng)在真實工作環(huán)境條件下的運動和動力特性，從而反復(fù)修改設(shè)計方案，最終得到最優(yōu)設(shè)計方案。它利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。并在CAD模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研制提供了一個全新的設(shè)計方法。

虛擬樣機集成了CAD建模技術(shù)、CSCW技術(shù)、用戶界面設(shè)計、基于知識的推理技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真方法論、現(xiàn)代管理理論、系統(tǒng)工程方法以及計算機支持工具等，為產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計和評估提供分布式的集成化環(huán)境，從而達到縮短研發(fā)周期、降低成本、提高效率的目的。這項技術(shù)將建模和仿真擴展到新產(chǎn)品研發(fā)的全過程，它以計算機支持的協(xié)同工作(CSCW)為底層技術(shù)基礎(chǔ)，通過支持協(xié)同工作、CAD、CAM、建模仿真、效能分析、可視化、虛擬現(xiàn)實的計算機工具，將各個集成化產(chǎn)品小組(ITP)的設(shè)計人員、分析人員聯(lián)系在一起，共同完成新產(chǎn)品的概念探討、運作分析、初步設(shè)計、詳細設(shè)計、可制造性分析、效能評估、生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)管理等工作。

目前世界范圍內(nèi)廣泛地接受了動態(tài)聯(lián)盟(Virtual Company)的概念，即為了適應(yīng)快速變化的全球市場，克服單個企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時間內(nèi)，通過Internet(或Intranet)臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)。為實現(xiàn)并行設(shè)計和制造，參盟企業(yè)之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)要求敏捷交流，各種信息共享尤顯重要。在并行設(shè)計環(huán)境中，由于不同設(shè)計階段需要同時進行，每個階段生成(或需要)的數(shù)據(jù)，在沒有完成設(shè)計之前是不完整的，而數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)共享的管理成為并行設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且，設(shè)計過程中，更改總是不可避免的，所以支持并行工程和并行設(shè)計需要有一個產(chǎn)品設(shè)計主模型以完成快速交流，并能將產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)定義成多個對象。這些對象的組合可以構(gòu)成面向不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο?，各個設(shè)計過程在同一個設(shè)計主模型上操作，保證數(shù)據(jù)模型的一致性和安全性。而虛擬樣機正能滿足上述要求，如見圖1所示。

圖1 支持并行工程的信息共享-虛擬樣機

2 虛擬樣機設(shè)計方法

針對上述情況，本文提出了基于虛擬樣機的產(chǎn)品研發(fā)方法PDBVP(Product Developing Based on Virtual Prototyping)。從PDBVP的流程中可以看出，設(shè)備虛擬樣機的開發(fā)是一個非常重要的環(huán)節(jié)。實施虛擬樣機設(shè)計方法的核心是開發(fā)切合實際的虛擬樣機，即深入理解系統(tǒng)零部件之間的運動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系，并實現(xiàn)數(shù)字化，如圖2所示。為此，本文構(gòu)筑了以基于可視化的機械動力學(xué)仿真為核心的虛擬樣機及虛擬試驗設(shè)計方法一體化解決方案，如圖3所示。

圖2 基于虛擬樣機的產(chǎn)品研發(fā)(PDBVP)流程圖

圖3 虛擬樣機設(shè)計方法一體化解決方案

該設(shè)計方法一體化解決方案表述如下：

(1)在開始實際產(chǎn)品的三維設(shè)計前，首先是方案的選擇和確定，也可以運用運動學(xué)/動力學(xué)分析軟件進行產(chǎn)品的概念設(shè)計，這樣能幫助設(shè)計師在開始設(shè)計前迅速驗證運動系統(tǒng)的運動原理，確定和優(yōu)化運動系統(tǒng)的一部分設(shè)計參數(shù)?？蛇x擇的軟件有：ADAMS/view、MSC/Working Model 2D等。

(2)設(shè)計師在確定方案、獲得產(chǎn)品的設(shè)計原理和運動參數(shù)后，就可以利用三維CAD軟件進行三維幾何模型的構(gòu)造設(shè)計，并利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件系統(tǒng)實時監(jiān)控整個產(chǎn)品的設(shè)計過程、自動管理設(shè)計過程的電子文檔。推薦使用的三維CAD軟件有I-DEAS、HELIX、PRO/Engineer、UG、MDT、SolidWorks、SolidEdge、Cimatron 等 ； 推薦使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 (PDM)軟件有SDRC公司的Metaphase、HP 公 司 的 WorkManager、IBM 公 司 的 PM、Autodesk 公司的WorkCenter、SuperSky-Master。

(3)產(chǎn)品的三維模型設(shè)計完成后，可以通過圖形交換接口將CAD三維模型傳入動力學(xué)和運動學(xué)仿真軟件，也可以通過具有自動約束映射技術(shù) (ACM)的軟件，如MSC/Working Model把三維模型輸出到仿真軟件中進行虛擬樣機的開發(fā)工作。之后最重要的兩項工作就是運動激勵的產(chǎn)生和各種動力特性的施加，推薦使用的仿真軟件有 ADAMS、DADS、Working/Model， 與流體有關(guān)的仿真軟件有 Phoenics、Flow3D，控制仿真軟件有 Matlab、Matrixx。

(4)產(chǎn)品的虛擬樣機開發(fā)完成后，可進行虛擬試驗(即基于可視化的動力學(xué)和運動學(xué)解算及仿真)，從虛擬試驗的結(jié)果不僅可以得到產(chǎn)品運動的動畫、速度、加速度、位移、軌跡，檢驗機構(gòu)運動是否合理、是否出現(xiàn)干涉、卡死的結(jié)果，還可以得到各零部件實際所受的各種載荷。根據(jù)虛擬試驗的結(jié)果可以判斷開發(fā)的虛擬樣機的準(zhǔn)確性，如果不符合要求，重復(fù)上一步；如果符合要求，則進行下一步。

(5)得到正確運動特性和動力特性的虛擬樣機后，便進行虛擬樣機的尋優(yōu)工作。建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的工作包括：虛擬樣機參數(shù)化、確定設(shè)計變量、確定目標(biāo)函數(shù)、確定約束函數(shù)。尋優(yōu)結(jié)束后，對優(yōu)化的虛擬樣機進行虛擬試驗，并存儲虛擬試驗結(jié)果。

(6)有了零件所受的力和力矩作為載荷條件，可以將載荷自動傳遞給有限元分析軟件進行零件的強度、振動、屈曲等分析，以獲得零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布、位移以及固有頻率和振型等。有限元分析的結(jié)果可以返回設(shè)計階段并指導(dǎo)修改初始設(shè)計，也可以將關(guān)鍵零件經(jīng)剛體彈性化后返遞回仿真環(huán)境，再度開發(fā)虛擬樣機及進行虛擬試驗，以便能得到更加符合實際的結(jié)果。推薦使用的有限元軟件有 SAPV、ADINA、ANSYS、Nastran、Working Model/FEA、I-DEAS/FEA。

(7)利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件系統(tǒng)(如 SuperSky－Master)系統(tǒng)可以自動統(tǒng)計該產(chǎn)品零部件的質(zhì)量、數(shù)量等統(tǒng)計信息，生成各種專業(yè)的報表，并輸出匯總成BOM(產(chǎn)品物料清單)表，作為其他工藝設(shè)計系統(tǒng)(CAPP)和企業(yè)管理系統(tǒng)(MIS)的數(shù)據(jù)來源。

(8)得到最優(yōu)的虛擬樣機后，也可以通過三維CAD系統(tǒng)將創(chuàng)建的產(chǎn)品三維模型直接輸出到CAM軟件 (例如英國Pathtrace公司推出的可以在MDT內(nèi)部運行的數(shù)控代碼自動編程軟件EdgeCAM)中進行數(shù)控代碼的生成和加工仿真，確認無誤后可以驅(qū)動數(shù)控機床進行加工。

基于可視化集建模、分析、尋優(yōu)、再設(shè)計的虛擬樣機設(shè)計方法一體化解決方案的中心思想是讓用戶在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)CAD/CAE/CAM/PDM協(xié)同作業(yè)。用三維CAD系統(tǒng)為產(chǎn)品構(gòu)造幾何模型及產(chǎn)品的虛擬樣機，并通過虛擬試驗分析仿真虛擬樣機的運動學(xué)和動力學(xué)特性，對其性能進行測試和評估，依據(jù)試驗結(jié)果修改產(chǎn)品的虛擬樣機，不斷循環(huán)直至最優(yōu)。從最初的產(chǎn)品三維虛擬樣機的設(shè)計、分析仿真到最終的實物樣機加工的整個過程，都可以在統(tǒng)一的過程中全部完成，為真正實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計/分析/加工/管理的一體化提供了重要的依據(jù)。

本文圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計到定型生產(chǎn)的整個研發(fā)周期，再從設(shè)計師、決策層、制造商、銷售商到用戶群等全方位地觀察和研究產(chǎn)品，虛擬樣機設(shè)計方法顯示了其強大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。面?1世紀(jì)，虛擬樣機設(shè)計方法勢必成為將來產(chǎn)品研發(fā)的主流。

[1]李瑞濤，方湄，張文明.虛擬樣機技術(shù)的概念及應(yīng)用[J].機電一體化，2000(9)：17-19.

[2]Li Ruitao， Fang Mei， Zhang Wenming， et al.Simulation research on vertical planetary mill based on virtual prototyping [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing，2001(2)：86-90.

[3]施普爾，克勞舍.虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)[M].寧汝新，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2000.