[工学]机械多体系统虚拟样机技术.ppt

虚拟样机与机械多体系统的基本理论与应用 南京航空航天大学 吴洪涛 2010.2.28 一、中国企业现状 经过二十多年发展，政府和企业的积极努力，目前，我国的制造企业大都采用了各种CAD 软件进行产品设计，基本上实现了“甩图板”，还有不少企业采用了三维CAD 软件完成更高级的设计工作，使产品的开发能力获得明显的增强。通过CAD，设计师可以利用强大的图形绘制和三维造型功能，生成数字化的图形数据，其图面的清晰、准确、易于修改确实使产品开发水平提高了一大步。 但关键的产品质量和性能问题，在CAD 中却无法涉及。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求。伴随着计算机技术的发展，出现了计算机辅助工程分析（ Computer Aided Engineering，CAE）这一新兴技术。 二、当前的问题和进步的动力 以产品强度安全为例，迄今为止，产品的力学强度分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行，由于有许多的简化条件，因而计算精度很低；还有不少企业领导和产品开发人员认为自己的产品大都是在原有产品基础上的改型，其尺寸、应力等没 必要再做复杂的计算。在这种情况下，设 计人员常采用简单的加大安全系数的方法来保证产品的强度和质量，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。 从产品的整个投入上来看，采用CAE 使得前期的设计投入的确有所增大，但往往能够很大程度上节省试制环节的投入，并能极大的减少产品投产的时间。因为“心中有数”，所以在T，Q，C，S方面皆带来了好处。 三、CAE概述 CAE 能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改，并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性。一般情况下，CAE 主要完成工作包括：发现设计缺陷、减少重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素等。 日益激烈的市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到：能比别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。 CAE 技术可以帮助用户在产品设计定型或生产之前预测、仿真和提高产品的性能质量，降低设计成本，节约资金，缩短产品投放市场的时间，提高竞争能力。 目前，CAE 产品在整个PLM 市场中所占的比重达到了约25％，并且还有明显的继续增大的趋势。 中国的 CAE 产品市场，国外产品一统天下，品牌集中度较高，主要集中在有限的MSC、ANSYS、COSMOS 等几个产品上。 中国 CAE 应用的普及任重而道远，CAE 外包是企业可以考虑的应用方式之一。 四、CAE 在产品生命周期各阶段创造的效益具体表现在： 1.概念设计阶段：概念设计阶段，需要根据市场需求、产品功能、及商业考虑等进行产品规划、方案设计，CAE 可以为设计人员用来完成基础设计的验证、不同方案的比较，满足功能、性能方面的要求，并为企业领导层进行产品决策提供参考，回答是否能够在预定时间、预定成本等约束条件下开发出满足要求的产品的问题。 2.详细设计阶段：在这个阶段，所有的设计将全部展开，从系统设计、装配部件、子装配、零件设计、直到图纸、材料、制造工艺等。CAE在这个阶段的作用，就是验证各种零部件是否满足预期的性能、制造上是否可行，而且从系统到单个零件都可以进行仿真。这些工作主要由设计工程师和制造工艺师参与完成。 3.试验阶段：试验阶段是设计完成后的关键阶段。大多数企业都是先制造物理样机，投入试验，如果某些地方试验失败，则重新设计、重新制造、重新试验，如此反复，直到定型通过。显然，这样反复多次的“设计、试验、修改”过程，既耗费时间，又极为昂贵。为此就要采取所谓的虚拟样机技术。 4.制造阶段：这个阶段是产品实际制造的阶段。CAE 技术可以优化制造的工艺流程、减少废料、简化工艺步骤。通过找出、并消除那些可能导致产品缺陷的设计要素，CAE技术在提高产品“可生产性”的同时也可以大大减少售后服务成本。 5.市场/销售阶段：当产品上市销售时，CAE 可以在推广阶段向客户展示其产品在客户使用环境下的表现，同时CAE 的结果也可以用到广告中辅佐厂家对产品的介绍。由于CAE 带来了更好的设计、当然也带来了更好的产品，所以销售也必将增加。 6.支持服务阶段：售出的产品都需要技术支持、保养维护、检查、修理。CAE 技术可以指导现场的维修及备件更换，确保问题的解决，使产品保持原设计的功能。 7.报废阶段：产品的使用寿命到期之后，就必须报废或回收。CAE 在这个阶段的作用是，选择合适的工艺、材料、以及便宜、可行的回收方式。多数情况下，厂家都会制造大量备用的“接触件”，CAE 也可以保证这些备用件被合理回收利用。 五、CAE