智能制造基础与应用（第2版）教案 第二章 智能制造数字化基础 2.数字化设计与仿真

教案(首页)山东劳动职业技术学院授课日期班次课时课题2.2数字化设计与仿真教学时数2【教学目标】1、了解数字化设计与仿真的概念；2、了解数字化设计与仿真的基本技术；3.了解虚拟样机技术的概念。【重点难点】虚拟样机的功能组成；虚拟样机技术的应用【教具、参考书】《智能制造基础与应用》机械工业出版社王芳、赵中宁主编【教学过程】教案纸山东劳动职业技术学院第3页第二节数字化设计与仿真提问：你认为什么是数字化设计、数字化仿真？一、数字化设计与仿真的基本概念“数字化”：信息（计算机）领域的数字（二进制）技术向人类生活各个领域全面推进的进程。“数字化设计与仿真”：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。数字化设计与仿真主要内容：用于企业计算机辅助设计、数字化仿真及其相应文档的设计，其内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程与优化等。归纳起来就是产品建立模块是基础，优化设计是主题，数据化技术是工具，数据管理是核心。二、数字化设计与仿真和传统设计的比较传统设计方式：设计——样机制造——实验测试——修改设计的流程，若产品性能达不到用户要求，则需要修改设计，再制造样机，再实验测试，这样反复设计，直到性能符合要求为止。缺点：传统研发设计模式主要存在开发周期长、各系统开发分散、反复实验成本高等缺点。而随着计算机辅助设计的技术的发展，现代数字化设计方法在产品开发中起着越来越重要的作用。现代数字化设计：设计——仿真分析——结果评估——优化设计——样机制作——实验测试——修改设计的流程。两种设计方式的比较：传统设计方法与数字化设计方法之间的比较如图2-19所示。使用数字化方法可以快速预估新产品的性能，结合数字仿真分析结果可以快速进行产品优化改进，达到快速研发设计、提高设计质量和减小设计成本的目的。传统设计与数字化设计各方面比较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、成本低三、数字化设计与仿真基本技术1.CAX工具CAX是CAD、CAM、CAE、CAT等技术的总称，是利用计算机进行产品的概念化设计、三维几何建模、虚拟装配、生产工程图及设计相关文档。CAX工具的出现和广泛应用，标志着数字化设计的开始。2.并行工程概念：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。内涵：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。它作为一种新的产品开发理念吸收了计算机技术、信息技术的成果，成为产品数字设计的重要手段，是现代信息技术作为背景支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM（产品数据管理）技术及DFX（如DFM、DFA等）技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现。四、先进数字化设计与仿真技术-虚拟样机概念：虚拟样机也被称为数字化功能样机，同时虚拟样机技术也是一门综合学科的技术,以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心,运用计算机技术将产品的设计分析集成起来,建立机械系统的数字模型。运用虚拟样机技术可以快速建立包含控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，并对产品的多种设计方案进行测试、评估，在设计中不断发现问题、解决问题、优化整体设计。美国的波音777客机便是世界上首个以无图方式研发和制造的飞机,虚拟样机技术在整个设计、生产、装配、评估环节发挥着及其重要的作用,并确保产品最终一次拼接成功。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。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。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术,它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。CAD/FEA技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境和技术支撑。虚拟样机技术改变了传统的设计思想,将分散的零部件设计和分析技术集成于一体,提供了一个全新的研发机械产品的设计方法。虚拟样机技术设计流程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。结构与功能虚拟样机主要用来综合检查新产品试制或生产过程中潜在的各种问题。这是将结构虚拟样机和功能虚拟样机结合在一起的一种完备型的虚拟样机。它将结构检验目标和功能检验目标有机结合在一起,提供全方位的产品组装测试和检验评价,实现真正意义上的虚拟样机系统。这种完备型虚拟样机是目前虚拟样机领域研究的主要方向。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。5.虚拟样机的功能组成虚拟样机技术的实现,必备的三个相关的技术领域是:CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实(VirtualReality)为最终目标的人机交互技术。虚拟样机技术生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观,同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征,用来进行精确的机械系统动力学仿真运算。CAD生成的三维造型数据只有在导入虚拟样机环境,在虚拟环境中能测量和装配,并能显示出三维的外观造型后才能成为真正意义上的虚拟部件。CAD三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。虚拟样机是代替物理样机进行检测的数学模型。它的内核是包含组成整机的不同学科子系统的大模型,即DigitalMock-UP,简称DMU。由于DMU同时包含了产品设计的所有学科提供的多个视角,并对产品的外形、功能等方面进行了科学、连贯的评价,因此通过虚拟样机,能进行产品综合性能评测。传统设计方法注意力集中于单学科,重视子系统细节,而忽视了整机性能,就是因为无法同时从多视角对产品综合性能进行评定。虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交户界面对参数化“软模型”进行控制,实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。最好的交互手段是虚拟现实技术。除了应用上述传统方式,设计师还能通过数据手段,修改虚拟部件的参数,对虚拟部件重新装配,生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型,通过力反馈操纵杆等传感装置,向设计师传递虚拟样机操纵力感,通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像,有了这些人类对产品的直观感知,就能使设计师产生强烈的“虚拟现实”沉浸感,协助设计师和用户对产品性能做出评价。计算机网络、计算机支持的协同工作技术(ComputerSupportedCooperativeWork,简称CSCW)、产品数据管理(PDM)和知识管理等是虚拟样机技术实现的重要低层次技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起,共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估的整个开发过程。6.虚拟样机的生产流程生成虚拟样机的具体流程：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。第二阶段是针对DMU仿真的需要对CAD几何造型进行后处理。第三阶段是将处理好的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。7.虚拟样机技术的应用美国波音案例：美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析均采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短（其中制造周期缩短50%），研发成本大大降低（如减少设计更改费用94%），而且确保了最终产品一次接装成功。通用动力公司1997年建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司，利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。Caterpillar公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。JohnDeere公司利用虚拟样机技术找到了工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题的原因，提出了改进方案，且在虚拟样机上得到了验证。美国海军的NAVAIR/APL项目，利用虚拟样机技术，实现多领域多学科的设计并行和协同，形成了协同虚拟样机技术（collaborativevirtualprototyping），他们研究发现，协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时间缩短，还使得产品的成本减小了至少20%。如图2-24所示。国内案例：我国虚拟样机技术最早应用于军事、航空领域，如飞行器动力学设计、武器制造、导弹动力学分析等。随着计算机技术的发展，虚拟样机技术已经广泛的应用到了机械工程、汽车制造、航空航天、军事国防等各个领域，在很多具体机械产品的设计制造中发挥了作用。如复杂高精度数控机床的设计优化、机构的几何造型、运动仿真、碰撞检测、运动特性分析、机构优化设计、热特性和热变性分析、液压系统设计等等。在虚拟造型设计、虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试、虚拟现实技术培训、虚拟试验、虚拟工艺等方面都取得了相应的成果。例如将虚拟样机技术应用于机车车辆这样复杂产品的研发中，将传统经验与虚拟样机技术相结合，使动力学计算、结构强度分析、空气动力学计算、疲劳可靠性分析等问题得到更好的解决，为铁路机车车辆虚拟样机的国产化提供了一条有效的解决途径。在机构设计中，采用虚拟样机技术对机构进行动力学仿真，分析机构的精度和可靠性。虚拟样机技术应用在重型载货汽车的平顺性研究上，可以有效的评价汽车的平顺性，虚拟样机技术还可以对复杂零件进行虚拟加工，检验零件的加工工艺性，为物理样机研制提供保障。虚拟样机技术应用于内燃机系统动力学研究，为内燃机的改进设计提供依据。五、案例分析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。因此，企业数字化设计与仿真技术解决传统设计中遇到的问题。1.数字化设计在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓，然后在图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以及工艺生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸问题和理解偏差，生产人员总是不能很好地理解和实现设计人员的意图，加之设计周期较长等诸多因素，使得三维实体模型设计成为必然趋势。尤其对于液压支架，采用三维实体模型设计能更好地表达其结构，是产品快速设计的重要途径。底座三维实体模型掩护梁三维实体模型图2-25部分零件的三维建模2.虚拟装配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，直至达到液压支架设计要求为止。液压支架三维实体模型液压支架装配完成后，需要进行干涉检查，通过干涉检查可以获知零件之间是否干涉，干涉的体积有多大等。在进行干涉检查时，首先要对元件位置进行调整，然后应用软件，通过在拖动过程中施加临时约束来调整支架的最低和最高位置，并拍下快照。调整好位置后，对所采用模型进行分析，执行全局干涉，分别对支架处于最低和最高位置时进行全局干涉检查，检验结果直接显示在模型中，同时用数字给出干涉区域的面积。通过对整个支架的装配结构进行干涉检验，可以观察和分析出现的干涉问题，即时查找问题，直到无干涉存在。3.液压支架的运动仿真液压支架在工作过程中，必须具备升架、降架、推溜和移架4个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液，通过工作性质不同的千斤顶和立柱来完成的。液压支架的仿真部分采用动画仿真的方式，可以在不设定运动的情况下，用鼠标拖拽组件，仿照动画制作过程，一步一步快拍，最后插入关键帧，完成仿真并捕捉输出。如图2-27所示。a正常工作位置b降架至最低位置c升架过程d到达支护位置图2-27液压支架的运行过程4.基于ADAMS（有限元分析）的液压支架数字样机的运动学分析基于ADAMS的运动学仿真可确定组成液压支架的点或构件的位移、速度和加速度的变化范围。在ADAMS/view中，选择顶梁梁端中间位置的一个点为测量的marker点，