虛擬仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究

陳 瑋，蘆宏斌，魯茗莉，李衛(wèi)華

（軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 實(shí)驗(yàn)儀器廠，北京 100850）

0 引言

當(dāng)今世界產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益多樣化和個(gè)性化，短周期、低成本、高質(zhì)量以及靈活的市場反應(yīng)能力成為競爭的重點(diǎn)?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展表明，產(chǎn)品的創(chuàng)新是基于知識(shí)和信息的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[1]。虛擬仿真技術(shù)正是適應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)這一發(fā)展趨勢而迅速發(fā)展起來的、應(yīng)用非常廣泛的一項(xiàng)高新技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)的快速性、準(zhǔn)確性以及信息高度集成性和設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維、綜合分析能力充分地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品概念、造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析、裝配及動(dòng)畫演示直到工程制造全部過程計(jì)算機(jī)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，從而創(chuàng)造出實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀宜人的產(chǎn)品。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用己經(jīng)給人們帶來了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

虛擬仿真的表現(xiàn)方法有多種，如有數(shù)值仿真、可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真等。為數(shù)值仿真的過程及結(jié)果顯示增加文本提示、圖形、圖像、動(dòng)畫表現(xiàn)，可以使仿真過程更加直觀，結(jié)果更容易理解，并能夠驗(yàn)證仿真過程是否正確[2]。

高度發(fā)展的科學(xué)技術(shù)與代表新世紀(jì)潮流的優(yōu)秀工業(yè)設(shè)計(jì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，在經(jīng)濟(jì)競爭中將扮演重要的角色。虛擬仿真技術(shù)從多方面改變著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。一方面，為產(chǎn)品創(chuàng)作提供了新的藝術(shù)表現(xiàn)手段；另一方面，它采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中為設(shè)計(jì)師提供實(shí)時(shí)的、交互的、動(dòng)態(tài)的、主動(dòng)的，而完全不同于以往的設(shè)計(jì)方式。

虛擬仿真技術(shù)使設(shè)計(jì)人員、制造者和使用者的信息交互的深度、廣度和速度都得到了很大的提高，符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的大趨勢。正是由于仿真技術(shù)給工程和科研領(lǐng)域帶來的優(yōu)勢是巨大的，因此該技術(shù)在近些年的發(fā)展十分迅速[3]。

1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

在許多先進(jìn)發(fā)達(dá)國家，近十年先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展都與信息技術(shù)緊密相關(guān)，而且在實(shí)施先進(jìn)制造技術(shù)的過程中，不僅應(yīng)用了許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等，而且總結(jié)與提出了許多新的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)，如模糊設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等等。本文針對(duì)虛擬仿真技術(shù)中概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工程分析（CAE）、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真這幾個(gè)方面加以闡述。

1.1 概念設(shè)計(jì)

這一階段工作的核心是創(chuàng)意，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)綜合考慮產(chǎn)品功能、質(zhì)量、效益、使用要求及制造工藝，提出具有創(chuàng)新性的解決方案，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初，不僅表現(xiàn)在功能上的優(yōu)越性，而且便于制造，生產(chǎn)成本低，從而使產(chǎn)品的綜合競爭力得以增強(qiáng)。許多發(fā)達(dá)國家的公司都把設(shè)計(jì)看作熱門的戰(zhàn)略工具，認(rèn)為好的設(shè)計(jì)是贏得顧客的關(guān)鍵。

1.2 產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)是工程技術(shù)與美學(xué)藝術(shù)相結(jié)合的一門新學(xué)科。它是以所開發(fā)產(chǎn)品為對(duì)象，從美學(xué)、自然科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面出發(fā)，進(jìn)行材料、構(gòu)造、加工方法、功能性、合理性、經(jīng)濟(jì)性、審美性的推敲和設(shè)計(jì)。綜合協(xié)調(diào)地對(duì)產(chǎn)品款式進(jìn)行塑造和設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品造型是利用CAD系統(tǒng)的三維圖形功能完成的,設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上模擬出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外形狀態(tài),產(chǎn)品的創(chuàng)意方案可以通過快速的三維建模、渲染,實(shí)現(xiàn)立體設(shè)計(jì),并且在形體感覺、形態(tài)調(diào)整、色彩等方面進(jìn)行隨時(shí)的改變調(diào)整,傳統(tǒng)的效果圖失去了原有的地位。在設(shè)計(jì)之初就對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行形態(tài)優(yōu)化，不但可使產(chǎn)品具有優(yōu)越的品質(zhì)、最低的消耗和最漂亮的外觀,而且在新產(chǎn)品試投產(chǎn)前,就可以對(duì)其制造過程中的結(jié)構(gòu)、加工、裝配、裝飾和動(dòng)態(tài)特征做到恰如其分的分析和檢驗(yàn),從而提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成型。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間、精力可用在分析、評(píng)價(jià)、調(diào)整上,使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序在側(cè)重點(diǎn)上有了變化[4]。同時(shí)，計(jì)算機(jī)的內(nèi)容都是數(shù)字化的，文件復(fù)制沒有任何損失，這樣對(duì)同一設(shè)計(jì)，其他人也可共享，設(shè)計(jì)任務(wù)也可分階段、分人、分地點(diǎn)完成，大大提高了工作效率。

在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，利用虛擬數(shù)字模型方便、快捷的進(jìn)行各種調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，可以取得適用面更廣、更接近真實(shí)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。建立在實(shí)踐基礎(chǔ)上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作將更具科學(xué)性和客觀性。具體的示例產(chǎn)品表達(dá)如圖1、圖2所示。

圖1 產(chǎn)品的二維和三維概念表達(dá)方式

圖2 產(chǎn)品三維效果表達(dá)方式

1.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工程分析（CAE）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了廣泛的應(yīng)用，有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，是解決復(fù)雜工程問題的有效途徑，合理使用工程分析軟件，可以有效提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。這些工程分析工具使設(shè)計(jì)技術(shù)的表達(dá)方法變得容易和方便。這些有助于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)等設(shè)計(jì)工作。目前，市場上支持產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）軟件種類較多。比較流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、 ANSYS、 ABAQUS、 MARC、 MAGSOFT、 COSMOS等。

CAE技術(shù)主要包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容[5]：①有限元法的主要對(duì)象是零件級(jí)，包括結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度分析、非線性和熱場計(jì)算等內(nèi)容；②仿真技術(shù)的主要對(duì)象是分系統(tǒng)或系統(tǒng)，包括虛擬樣機(jī)、流場計(jì)算和電磁場計(jì)算等內(nèi)容；③優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

產(chǎn)品開發(fā)過程中CAD技術(shù)方面工作通常包括以下三個(gè)步驟：①使用計(jì)算機(jī)測試代替昂貴的現(xiàn)場測試，從而減少成本；②減少產(chǎn)品開發(fā)周期的次數(shù)，從而縮短產(chǎn)品問市時(shí)間；③快速模擬多個(gè)概念與情景，使用戶在作出最終決定之前有更多思考新設(shè)計(jì)的時(shí)間，從而優(yōu)化所做的設(shè)計(jì)。

具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核示例如圖3所示。將連續(xù)實(shí)體劃分為有限單元的過程稱為網(wǎng)格化，有限元素分析程序?qū)⒛Ｐ鸵暈橛上嗷ミB接的單元組成的網(wǎng)格，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中，有限元分析是用來預(yù)測產(chǎn)品在使用過程中將會(huì)發(fā)生的事情。

圖3 簡化模型圖

1.4 計(jì)算流體力學(xué)仿真

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使人們直接求解控制方程組的夢想逐步得到實(shí)現(xiàn)，從而催生了計(jì)算流體力學(xué)這門交叉學(xué)科。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一門用數(shù)值計(jì)算方法直接求解流動(dòng)主控方程 （Euler或Navier-Stokes方程）以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象規(guī)律的學(xué)科。它綜合了計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、科學(xué)可視化等多種學(xué)科。

自20世紀(jì)60年代以來CFD技術(shù)得到飛速發(fā)展，其原動(dòng)力是不斷增長的工業(yè)需求，而航空航天工業(yè)自始至終是最強(qiáng)大的推動(dòng)力。傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)方法試驗(yàn)昂貴、費(fèi)時(shí)，所獲信息有限，迫使人們需要用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真手段指導(dǎo)設(shè)計(jì)，大量減少原型機(jī)試驗(yàn)，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)。

40年來，CFD在湍流模型、網(wǎng)格技術(shù)、數(shù)值算法、可視化、并行計(jì)算等方面取得飛速發(fā)展，并給工業(yè)界帶來了革命性的變化。如在汽車工業(yè)中，CFD和其它計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）等工具一起，使原來新車研發(fā)需要上百輛樣車減少為目前的十幾輛車；目前在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，利用CFD進(jìn)行的反復(fù)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化已成為標(biāo)準(zhǔn)的必經(jīng)步驟和手段[6]。具體電腦機(jī)箱CFD仿真示例如圖4，圖5所示。

總之，CFD相當(dāng)于 “虛擬”地在計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)，用以模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況。而其基本原理則是數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體流動(dòng)的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動(dòng)情況。即CFD=流體力學(xué)+熱學(xué)+數(shù)值分析+計(jì)算機(jī)科學(xué)。

圖4 機(jī)箱模型

圖5 機(jī)箱內(nèi)氣體溫度場云圖

2 結(jié)論

經(jīng)濟(jì)全球化、交流網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)計(jì)虛擬化，這是人類在新世紀(jì)的未來生活方式。伴隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為計(jì)算機(jī)尖端應(yīng)用的虛擬仿真技術(shù)己經(jīng)為今天的工業(yè)設(shè)計(jì)師提供了強(qiáng)大的工具。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅意味著設(shè)計(jì)手段的改變，同時(shí)改變了工業(yè)設(shè)計(jì)的思維方式。推動(dòng)著制造業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到技術(shù)管理一系列深刻、全面、具有深遠(yuǎn)意義的變革。

產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)通常無法采用純數(shù)學(xué)演算的方法進(jìn)行，也難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完整的描述，而需要根據(jù)產(chǎn)品特征進(jìn)行形式化的描述，借助于設(shè)計(jì)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和決策。

展望虛擬仿真技術(shù)從萌芽到今大的日漸成熟已經(jīng)走過了相當(dāng)長的一段歷程。虛擬仿真技術(shù)在某種意義上極大的改變?nèi)藗兊乃季S方式。之前的產(chǎn)品表現(xiàn)形式雖有華麗的外表，但是缺乏對(duì)產(chǎn)品空間的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和人機(jī)之間的交互。虛擬仿真技術(shù)不僅可以提高產(chǎn)品展示的真實(shí)性和交互性，而且可以逆向的輔助產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。

[1]謝友柏，在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)合作設(shè)計(jì)[J].航空制造技術(shù)，2001，2.

[2]趙能.虛擬仿真技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].湖南：長沙理工大學(xué)，2009，5.

[3]陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術(shù)的虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008，1.

[4]劉永翔.產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)用基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[5]魏來生.CAE技術(shù)及其在車輛行業(yè)的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2005，6.

[6]尹思藝.用CFD模擬分析優(yōu)化室內(nèi)通風(fēng)效果[J].城市開發(fā)，2010，18.