數(shù)字化仿真技術

數(shù)字化制造與仿真

Digitalmanufacturingandsimulation姓名：楊波學號：140710552CONTENTS01Thedefinitionandconnotation

目錄01Theconnotationanddevelopment02Statusanddevelopment02Theclassificationandadvantage03focusofstudycoreandsupportingtechnology03ThebasicstepsDigitalsimulationtechnologyDigitalmanufacturingtechnology04

applicationvalueanddevelopmentprospects04Softwaredescription1數(shù)字化制造技術Digitalmanufacturingtechnology

數(shù)字化時代來臨的標志是信息技術的越來越普及，特別是在智能領域的應用越來越多。數(shù)字化技術是軟件和智能技術的基礎，是高科技公司賴以生存的核心技術。先進制造技術的應用，拓展了許多制造的新方法和新工藝。數(shù)字化技術和先進制造技術的結(jié)合，給中國的制造業(yè)帶來巨大的沖擊。

數(shù)字化制造的術語性定義:數(shù)字化制造就是指在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等支撐技術的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產(chǎn)出達到用戶要求性能的產(chǎn)品整個制造全過程。從數(shù)字化制造的術語性定義中，可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化制造定義的內(nèi)涵包括以下三方面:1)設計數(shù)字化。在虛擬環(huán)境中，可以實現(xiàn)裝配過程仿真，數(shù)字預裝配，CAM，以及結(jié)構(gòu)分析、管路分析、強度分析等等;2)制造裝備數(shù)字化。成套裝備的集成，包括數(shù)字化創(chuàng)新設計、數(shù)字化工藝、數(shù)字化特種控制和數(shù)字化檢測，主要應用的領域有:汽車制造裝備、船舶制造裝備、電子制造裝備、軍工制造裝備、輕工制造裝備等等;3)管理數(shù)字化。制造、工程、用戶和供應商的集成。1.Thedefinitionandconnotationofdigitalmanufacturing“數(shù)字化制造”代表所有基于3D模型的產(chǎn)品和工藝定義的、用于產(chǎn)品生命周期各個階段的設計、仿真和實現(xiàn)技術的集合。按照產(chǎn)品的生命周期過程，數(shù)字化制造的內(nèi)涵包括下面的內(nèi)容：☆數(shù)字化制造在產(chǎn)品生命周期的創(chuàng)新和設計階段，采用的是3DCAD實體造型和基于模型的產(chǎn)品定義MBD（MBDefinition），以及在3D模型和基于模型定義基礎上的各類對產(chǎn)品自身性能的仿真技術；☆在產(chǎn)品生命周期的工藝設計階段，采用的數(shù)字化技術是“數(shù)字制造（DigitalManufacturing）”即制造過程管理ManufacturingProcessManagement，MPM，其中包括了基于3D模型的過程設計、各種工藝過程和裝配的仿真、工廠或車間配置及流轉(zhuǎn)的仿真、人體工程學的仿真等。數(shù)字化進程仍舊停留在計算機的虛擬環(huán)境之中?！町a(chǎn)品生命周期的制造階段使用的數(shù)字化技術是“數(shù)字化工廠DigitalizedFactory”。數(shù)字化工廠將來自數(shù)字制造的產(chǎn)品的3D數(shù)字模型定義和經(jīng)過仿真優(yōu)化的制造過程，以MBI的形式發(fā)布給制造作業(yè)的各類操作者。在制造作業(yè)中，操作者也用數(shù)字化的手段和裝置向上層業(yè)務過程反饋數(shù)字化的作業(yè)狀態(tài)信息。數(shù)字化工廠是從虛擬環(huán)境中接收和反饋3D制造信息的現(xiàn)實工廠☆產(chǎn)品生命周期的維修階段，采用“數(shù)字化支持維修D(zhuǎn)igitalizedSustainment”，它的內(nèi)容與數(shù)字化工廠相近。在產(chǎn)品和工藝開發(fā)過程創(chuàng)建的模型和模擬直接在整個產(chǎn)品生命周期的各個階段使用，給用戶和支持維護人員提供不斷向下游傳遞的3D模型和數(shù)據(jù)。企業(yè)價值鏈成員將使用真實世界的效果和維護/維修/故障數(shù)據(jù)來評估產(chǎn)品和工藝的集成作業(yè)環(huán)境，反饋給產(chǎn)品設計，進行產(chǎn)品設計的改進。維護和支持階段應用的數(shù)字化技術有：基于模型的產(chǎn)品監(jiān)控Model-BasedMonitoringofProduct；基于模型的維護Model-BasedMaintenance；基于模型的用戶和維修人員的培訓Model-BasedTraining等。在產(chǎn)品生命周期不同階段使用的數(shù)字技術和系統(tǒng)至今

90年代80年代60,70年代80年代末期到現(xiàn)在，出現(xiàn)了在機械、航空航天、汽車、造船等領域廣泛應用的CAD/CAM一體化三維軟件如CATIA,IDEAS,Por/E,MASTERCAM,等。發(fā)展起來的RP(快速成型技術)，可以對產(chǎn)品進行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了開發(fā)產(chǎn)品的時間。出現(xiàn)了CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))，使波音公司的飛機在設計、制造和管理的時間由原先的八年縮短到三年。CAD軟件(二維繪圖和三維造型)的出現(xiàn)和FMS(柔性化制造系統(tǒng))系統(tǒng)的出現(xiàn)，以及CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展。19世紀50年代美國MIT發(fā)明了NC機床和CAM處理系統(tǒng)APT系統(tǒng)，K&T公司研制成功了帶ATC的加工中心和UT公司研制成功了帶自動換刀方式的世界上第一臺加工中心。2.Statusanddevelopmentofdigitalmanufacturingtechnology由于支撐數(shù)字化制造技術的軟硬件主要來源于美國、歐洲和日本，國內(nèi)在數(shù)字化制造技術的應用非常有限，目前還處于轉(zhuǎn)型期，大部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)字化設計(2D、3D產(chǎn)品設計)和車間現(xiàn)場的數(shù)字化生產(chǎn)(數(shù)控機床、機器人等)，對于承上啟下的工藝部門的數(shù)字化工作，部分企業(yè)已經(jīng)開始實施，但還遠不如數(shù)字化設計那么深入。主要局限于汽車制造和飛機制造等極少數(shù)領域。由于虛擬樣機技術的主要研究者是高等學校，因此它與工程實際還有很大的差距，而造成今天這種局面的主要原因是國外對其核心技術和關鍵技術的技術壟斷，我國很難通過技術轉(zhuǎn)讓直接獲取，而能夠成為真正數(shù)字化工廠的又少之又少。近些年，國內(nèi)不斷涌現(xiàn)出這類技術型的企業(yè)，如華為、海爾、美的、中興等等。只有掌握核心技術的企業(yè)，才能在未來的數(shù)字化制造領域占領一席之地。目前中國制造企業(yè)應用數(shù)字化制造的難點或困惑1.支撐的軟件系統(tǒng)的成本問題。低附加值行業(yè)如果通過數(shù)字化提高效益100倍，但絕對值抵不過花的錢，這種推廣，需要培育和發(fā)展自主版權的數(shù)字化制造的支持軟件。2.基礎數(shù)據(jù)。多數(shù)企業(yè)過去忙于生產(chǎn)交付，嚴重的忽視了對基礎數(shù)據(jù)的積累和標準化的工作。每一個制造企業(yè)必須將基礎數(shù)據(jù)的標準化、規(guī)范化、成組化做好。數(shù)字化制造技術的研究方面很多(包括:設計、控制、加工、裝配、檢測、工廠及管理等多方面的內(nèi)容)。同時，基于數(shù)字化技術的特點(包括:可變性、離散性、可視性、可控性和共享性等)，從而出現(xiàn)了新的現(xiàn)代設計方法、加工工藝技術和卓越的管理模式。3.Thefocusofstudyandcoreandsupportingtechnology數(shù)字化制造技術的核心技術是建模與仿真。包括產(chǎn)品的建模仿真、工藝過程的建模仿真，以及生產(chǎn)系統(tǒng)的建模仿真。數(shù)字化制造的支撐技術1.數(shù)字化設計技術基于知識的工程(Knowledge-BasedEngineering,KBE)技術，包括知識建模、知識表示和推理、知識獲取和繁衍、知識集成等內(nèi)容。2.數(shù)字化加工技術當今數(shù)字化加工的重要發(fā)展趨勢是高速加工技術和智能加工技術。3.數(shù)字化分析技術CAE(ComputerAidedEngineering)技術己經(jīng)能在很多領域解決數(shù)字化樣機的驗證問題，真正提升了設計人員的工程分析能力，優(yōu)化了制造工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。4.數(shù)字化制造中的資源管理ERP和PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理庫)系統(tǒng)的集成將促進不同功能的協(xié)調(diào)，有利于促進設計、生產(chǎn)、采購和銷售等部門間的交流。4.Theapplicationvalueanddevelopmentprospects數(shù)字化制造技術的應用方向

1)加強數(shù)字化管理技術的應用。企業(yè)在不增加設備和人力資源，不改變工藝生產(chǎn)過程，只是通過數(shù)字化管理技術的應用，從而提高效益，保證質(zhì)量和節(jié)約成本。

2)加強數(shù)字化設計技術。從概念設計之初就引入數(shù)字化設計技術，實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新，而在設計階段進行優(yōu)化設計，就可以保證產(chǎn)品的性能及可制造性，真正達到仿真技術與實驗驗證的結(jié)合。

3)重點解決數(shù)字化加工的問題。我國一些企業(yè)引進了一些先進制造設備，但是遇到許多瓶頸(如:數(shù)字化加工路線規(guī)劃，數(shù)字化加工參數(shù)優(yōu)化，數(shù)字化檢測規(guī)劃等)，而使機器不能發(fā)揮功效，造成高速當?shù)退儆茫遢S當三軸用等問題。數(shù)字化制造技術的應用價值

1)填平了人的思維與工程表達之間鴻溝。2D產(chǎn)品定義的數(shù)據(jù)鏈存在著人力物力的巨大的浪費。制造業(yè)為這種平面圖形的轉(zhuǎn)換付出了巨大的代價。3D產(chǎn)品定義和直接使用3D數(shù)據(jù)傳遞，消除了人的思維的變換和由此造成的一切不清晰和失誤，壓低了幾乎所有作業(yè)人員的學習曲線。數(shù)字化制造成為精益制造近期革命性的進展。

2)數(shù)字化制造對支撐創(chuàng)新和創(chuàng)造有重要作用。在計算機的虛擬世界中將產(chǎn)品和工藝設計中可能發(fā)生的錯誤和決策失誤提前揭露和消滅。比起在現(xiàn)實的物質(zhì)世界中驗證效果，會大大地節(jié)省時間、資源和金錢。對加快創(chuàng)新產(chǎn)品的研制速度、推向市場的時間起著關鍵的作用。數(shù)字化制造技術未來的發(fā)展前景☆數(shù)字線digitalthread在企業(yè)或供應鏈中，無論在何處的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費者，在制造過程的任何點上，都將連接到一個共同的數(shù)字的數(shù)據(jù)源上。數(shù)據(jù)標準將從設計階段開始,延伸到制造、繼而到最后裝配。這種環(huán)境就是下面的基于模型的企業(yè)MBE。☆基于模型的企業(yè)MBE是一種制造實體，它采用建模與仿真技術對其設計、制造、產(chǎn)品支持的全部技術的和業(yè)務的流程進行徹底的改進、無縫的集成以及戰(zhàn)略的管理；利用產(chǎn)品和過程模型來定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過程；并采用科學的模擬與分析工具，在產(chǎn)品生命周期的每一步做出最佳決策，從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開發(fā)、制造和支持的時間和成本。術語“基于模型的企業(yè)”已成為這種先進制造方法的具體體現(xiàn)。它的進展代表了數(shù)字化制造的未來。MBE描繪了未來的數(shù)字化制造企業(yè)的愿景類似于互聯(lián)網(wǎng)技術和計算機技術改變?nèi)藗兊纳罘绞揭粯樱瑪?shù)字化制造技術必然會從根本上改變制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)方式。尤其是中國要由“制造”轉(zhuǎn)向“創(chuàng)造”，由“低勞動力成本、低附加值產(chǎn)品、以犧牲環(huán)境為代價”轉(zhuǎn)向“提高人們生活水平、高附加值產(chǎn)品、綠色制造”，一定要依靠先進的數(shù)字化技術才能得以實現(xiàn)。2數(shù)字化仿真技術Digitalsimulationtechnology

以多種學科和理論為基礎，以計算機及其相應的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法來分析和解決問題的一門綜合性技術。仿真可以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)、動態(tài)行為及其性能特征，用于分析系統(tǒng)培配置是否合理、性能十分滿足要求，預測系統(tǒng)可能存在的缺陷，為系統(tǒng)設計提供決策支持和科學依據(jù)。

仿真技術已經(jīng)廣泛應用于大中型離散制造業(yè)，涵蓋國防、武器裝備、航空航天等軍工集團及其下屬科研機構(gòu)及企業(yè)；另外還包括汽車及交通運輸行業(yè)、民用船舶、軌道交通和摩托車等領域；以及計算機、通訊、醫(yī)療電子、消費電子、半導體、家用電器、集成電路；工程機械、重型裝備、模具、電機等領域。石油石化、醫(yī)療器械、建筑工程、能源電力、鋼鐵、氣象、包裝等行業(yè)的大型企業(yè)也開始嘗試仿真技術的應用。1.Connotationanddevelopmentofdigitalsimulationtechnology國內(nèi)仿真技術的現(xiàn)狀

中國仿真技術應用的兩極分化明顯，廣大的中小型企業(yè)在仿真技術應用水平上與大型企業(yè)有很大差距。企業(yè)缺乏仿真技術應用的人才梯隊。多數(shù)企業(yè)仿真技術應用的成熟度還比較低，缺乏仿真流程規(guī)范、材料數(shù)據(jù)庫，只是獨立應用各個學科的仿真技術；仿真技術應用與產(chǎn)品設計和試驗部門脫節(jié)，還只能將仿真技術作為一種驗證手段。中國仿真技術的市場潛力巨大，但還需要長期培育。分類仿真模型的不同：物理仿真、數(shù)學仿真和物理-數(shù)學仿真。物理仿真對實際存在的模型進行試驗，研究系統(tǒng)的性能數(shù)學仿真用數(shù)學模型代替實際系統(tǒng)進行試驗研究物理-數(shù)學仿真。系統(tǒng)狀態(tài)變化：連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間發(fā)生連續(xù)變化，如化工、