2.1.3 數(shù)字樣機(jī)技術(shù)

1 數(shù)字樣機(jī)的概念

數(shù)字樣機(jī)（Digital mock-up，DMU）技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以CAD/CAE/DFx（Design for X，是一種面向產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)理念，其中“X”代表產(chǎn)品生命周期中某一環(huán)節(jié)，如裝配、安裝、維護(hù)等）技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，融合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將多學(xué)科的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過程集中到一起，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、制造者和使用者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制的早期就可以直觀形象地對產(chǎn)品數(shù)字原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了全新的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)從設(shè)計(jì)及制造的角度出發(fā)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)對產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、仿真與優(yōu)化，達(dá)到替代或精簡物理樣機(jī)的目的。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)使設(shè)計(jì)者可以在沒有制作新產(chǎn)品物理樣機(jī)的情況下，利用數(shù)字模型對新產(chǎn)品的性能和制造過程進(jìn)行仿真測試實(shí)驗(yàn)。通過它，設(shè)計(jì)者能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，提高工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。這不僅為企業(yè)節(jié)省了大量設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，也能夠有效縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。前面所述的波音777、787等型號飛機(jī)的設(shè)計(jì)，就是采用了數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。

數(shù)字樣機(jī)是建立在三維幾何模型基礎(chǔ)上的可仿真數(shù)字模型，可以對產(chǎn)品進(jìn)行功能、幾何、物理性能等方面的分析。應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、制造者和使用者，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就基于數(shù)字化環(huán)境直觀地了解產(chǎn)品的幾何特性，再利用仿真技術(shù)對產(chǎn)品的數(shù)字模型進(jìn)行性能測試和制造仿真，及早發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品的目的。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和逐步成熟為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和提高設(shè)計(jì)工作效率等方面提供了強(qiáng)大有力的工具和手段，具有重大的意義。數(shù)字樣機(jī)的虛擬數(shù)字模型不只是幾何模型，還包括多物理場、多學(xué)科的分析模型、邊界條件模型、分析結(jié)果模型，它可以替代物理樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品性能分析和預(yù)測。

2 數(shù)字樣機(jī)的相關(guān)技術(shù)

為了能夠更好地替代物理樣機(jī)對新產(chǎn)品進(jìn)行分析，真實(shí)地反映新產(chǎn)品的特性，數(shù)字樣機(jī)分析軟件在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析時(shí)，需要融合其他相關(guān)技術(shù)。數(shù)字樣機(jī)的開發(fā)和實(shí)施涉及以下技術(shù)：

1）幾何形體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)。用于機(jī)械系統(tǒng)的幾何建模，或者用來展現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。

在幾何建模中，模型主要是二維圖形、三維線框和三維實(shí)體造型。幾何建模技術(shù)還包括不同格式的幾何模型間的無損變換、幾何模型的渲染技術(shù)（主要有表面紋理修飾和光照技術(shù)）和幾何模型的操縱技術(shù)（涉及模型的立體顯示、消隱、透明等）。

2）計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)，主要是有限元分析（FEA）技術(shù)。可以利用機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析結(jié)果，確定進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)有限元分析所需要的外力和邊界條件，或者利用有限元分析對構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、溫度等進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

3）模擬各種工況的軟件編程技術(shù)。數(shù)字樣機(jī)軟件運(yùn)用開放式的軟件編程技術(shù)來模擬各種力和動力，例如電動力、液壓動力、風(fēng)力等，以適應(yīng)各種物理、控制系統(tǒng)的要求。

4）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)。數(shù)字樣機(jī)可以運(yùn)用傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的控制理論，進(jìn)行系統(tǒng)控制部分的仿真分析，或者可以應(yīng)用其他專用的控制系統(tǒng)分析軟件，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合分析。

5）優(yōu)化分析技術(shù)。運(yùn)用數(shù)字樣機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品各系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，使產(chǎn)品獲得最佳的綜合性能。

3 數(shù)字樣機(jī)的特點(diǎn)

雖然人們對數(shù)字樣機(jī)的概念有不同的認(rèn)識，但是數(shù)字樣機(jī)都具有以下三個(gè)特點(diǎn)[37]：

1）真實(shí)性：真實(shí)性是數(shù)字樣機(jī)最本質(zhì)的屬性。采用數(shù)字樣機(jī)的根本目的是取代或者精簡物理樣機(jī)。因此數(shù)字樣機(jī)應(yīng)是“具有一定的原型產(chǎn)品或系統(tǒng)真實(shí)功能并能夠與物理原型相媲美的計(jì)算機(jī)仿真模型”，可以在幾何、物理與行為各個(gè)方面逼近物理樣機(jī)。

①幾何真實(shí)性。數(shù)字樣機(jī)具有和實(shí)際產(chǎn)品相同的幾何結(jié)構(gòu)與幾何尺寸，相同的顏色、材質(zhì)與紋理，使得設(shè)計(jì)者能真實(shí)地感知產(chǎn)品的幾何屬性。

②物理真實(shí)性。數(shù)字樣機(jī)具有和實(shí)際產(chǎn)品相同或相近的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)屬性，能夠在虛擬環(huán)境中模擬零件間的相互作用。

③行為真實(shí)性。在外部環(huán)境的激勵(lì)下，數(shù)字樣機(jī)能夠做出與實(shí)際產(chǎn)品相同或相近的行為響應(yīng)。

2）面向產(chǎn)品全生命周期：數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是對物理產(chǎn)品全方位的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，而傳統(tǒng)的工程仿真只是對產(chǎn)品某方面進(jìn)行測試，以獲得產(chǎn)品在該方面的性能。數(shù)字樣機(jī)是由分布的、不同工具開發(fā)的甚至是異構(gòu)子模型所組成的模型聯(lián)合體，包括產(chǎn)品的CAD模型、外觀表示模型、功能和性能仿真模型、各種分析模型（可制造性、可裝配性等）、使用模型、維護(hù)模型和環(huán)境模型。

3）多領(lǐng)域多學(xué)科：復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往會涉及機(jī)械、控制、電子、液壓、氣動等多個(gè)不同的領(lǐng)域。要想對這些復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行完整、準(zhǔn)確的仿真分析，必須將多個(gè)不同的學(xué)科領(lǐng)域的子系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行仿真分析，使得數(shù)字樣機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)者對產(chǎn)品進(jìn)行功能驗(yàn)證與性能分析的要求。