数字化制造技术与仿真技术

三、数字化仿真的基本步骤
实际系统 几何建模 数学建模 仿真建模 仿真试验 仿真结果
系统建模 数学建模：根据仿真目标建立的数学模型（相似度和精度） • 演绎法 • 归纳法 仿真建模：采用仿真软件中的仿真算法或通过程序语言，将系 统的数学模型转化为计算机能够接受的技术程序。
数字化仿真的基本步骤
仿真试验
二、数字化制造的发展现状
1、CAD/CAM软件的空前繁荣
80年代末期至今，CAD/CAM一体化三维软件大量出 现，如：CADAM，CATIA，UG，I-DEAS，Pro／E， ACIS，MASTERCAM等，并应用到机械、航空航天、 汽车、造船等领域。
2、快速成型（RP）
快速成型（Rapid Prototyping）技术是90年代发 展起来的，被认为是近年来制造技术领域的一次重大 突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。 RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术 及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将 设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零 件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能 试验，有效地缩短了产品的研发周期。
• 离散事件系统指只在离散的时间来自上发生“事件”时， 系统状态才发生变化的系统。
应用性质不同：系统研制和系统应用。
• 系统研制：用于系统分析、设计、制造、装配、检测 及优化
• 系统应用：用于系统操作及管理人员培训
二、仿真（Simulation) 技术的优势
数字化仿真的优势
提高产品质量 缩短产品开发周期 降低产品开发成本 完成复杂产品的操作和使用训练
CAD CAPP CAQ CAM CAx
CAO
CAQ
X ...
工程/产品数据
知识库
计划/管理数据
一、仿真（Simulation) 技术的概念
概念： 对系统模型的试验，研究已存在的或设计中的系 统性能的方法及其技术。仿真可以再现系统的状 态、动态行为及其性能特征，用于分析系统培配 置是否合理、性能十分满足要求，预测系统可能 存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依 据。
数字化制造企业
市场开发 产品规划 产品设计 工艺过程规划 制订生产计划 生产
销售
服务
虚拟产品
Internet Intranet Extranet
增值链
电子商务
产品
CPC/PLM
虚拟企业应用平台（Virtual Enterprise Application Platform）
PDM
MES
SCM/ERP
实现快速设计，保证设计质量
将人的观察、 思维、想象和 操作集为一体
引发装备重大 革命，数字化 制造奠定基础
可变
可视
数字
离散
定义
可控
共享
20世纪制 造技术的 重大突破
引发全球制 造模式和跨 国企业出现
有限元分析
零件模型
装配
工程图 加工
主要内容介绍
1、计算机辅助设计（CAD） 2、计算机辅助工程分析（CAE） 3、计算机辅助制造（CAM） 4、计算机辅助工艺规划（CAPP） 5、 产品数据库管理（PDM ） 6、企业资源计划（ERP） 7、 反求工程技术（RE ） 8、快速成型技术（RP）
有限元法基本原理
结构离散
结构离散即将求解区域分割成具有某种几何形状的单元。
结构离散化处理中需要解决的主要问题是：单元类型选 择、单元划分、单元编号和节点编号。 单元类型选择的原则
• 所选单元类型应对结构的几何形状有良好的逼近程度。 • 要真实地反映分析对象的工作状态。例如机床基础大件在受
力时，弯曲变形很小，可以忽略，这时宜采用平面应力单元。 • 根据计算精度的要求，并考虑计算工作量的大小，恰当选用
运行仿真程序、进行仿真研究的过程，即对建立的仿真模型进行数值试验和 求解的过程
数学建模
研究对象： 已有或设计中的系统
仿真试验
数学模型： 系统的几何及数学模型
仿真建模
仿真模型： 仿真算法及程序
仿真结果分析
采用图形化技术，通过图形、图表、动画等形式显示被仿真对象的各种状态，使得 仿真数据更加直观、丰富和详尽，有利于对仿真结果的分析。
分类 仿真模型的不同：物理仿真、数学仿真和物理-数 学仿真。
• 物理仿真对实际存在的模型进行试验，研究系统的性 能
• 数学仿真用数学模型代替实际系统进行试验研究 • 物理-数学仿真。
分类 系统状态变化：连续系统和离散系统
• 连续系统指系统状态随时间发生连续变化，如化工、 电力、液压-气动、铣削加工等。
三、数字化制造的主要内容
数字化技术与传统制造技术的结合即数字化制造技术， 这是一种广义概念，包括数字化设计、数字化控制、 数字化加工、数字化装配、数字化检测、数字化工厂 及数字化管理等多方面的内容。 由于数字化技术具有可变性、离散性、可视性、可控 性、共享性等特点，产生了很多新的现代设计方法、 创新工艺技术和先进管理模式。
四、数字化制造的发展趋势
一、是利用基于网络的CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM集成 技术，实现产品全数字化设计与制造。
二、是虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业、动态企业联盟、 敏捷制造、网络制造以及制造全球化，将成为数字化设计 与制造技术发展的重要方向。
三、是以提高对市场快速反应能力为目标的制造技术将得 到超速发展和应用。
数字化制造技术与仿真技术
数字化制造技术
1
数字化制造的概念
2
数字化制造的发展现状
3
数字化制造的主要内容
4
数字化制造的发展趋势
数字化仿真技术
1 仿真（Simulation) 技术的概念
2
仿真（Simulation) 技术的优势
3
数字化仿真的基本步骤
4
数字化仿真软件概述
一、数字化制造的概念
数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量
支持机械产品开发的数字化仿真软件
MATLAB
美国MathWorks, 控制系统仿真语言及系统 Inc
MSC.Nastran
美
国 结构、机械系统动力学仿真
M S C . S of t w a re 软件
Corp.
ANSYS COSMOS
美国ANSYS, INC 结构、热、电磁、流体、声 学等仿真软件
0” 和“1 据的编码、解码。各类信息的采集、处理、贮存和传输 实现了标准化和高速处理。
数字化制造digital manufacture technology的术语性定义
在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟 现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等 支撑技术的支持下，根据用户的需求。迅速收集资 源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分 析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以 及原型制造。进而快速生产出达到用户要求性能的 产品整个制造全过程。
仿真技术中包括主观方法、抽象化、直观感受和设想，因此必须对仿真结果做全面 的分析。
四、数字化仿真软件
现代仿真软件技术
开放式结构 “事件驱动”的编程方法 模块化建模 数据处理技术
软件分类
基于仿真语言：应用较广泛，但缺乏针对性，用户 需要具备一定的专业知识、建模能力及编程技巧， 仿真模型开发的工作量大。GPSS, SIMSCIPT,SIMAN 基于专用仿真环境：针对特定的应用领域，用户可 以将精力集中在系统分析和建模上，有利于提高仿 真效率和质量。CACI的Sifactory, Promodel solution的Promodel
• 根据精度要求，用有限个参数来描述单元的力学或其他特性，连续 体的特性就是全部单元体特性的叠加；
• 根据单元之间的协调条件，建立方程组，联立求解就可以得到所求 的参数特征。
基本方法
位移法：以应力计算为例，位移法是以节点位移为基本 未知量，选择适当的位移函数，进行单元的力学特性分 析，在节点处建立单元的平衡方程，即单元刚度方程， 有单元刚度方程组成整体刚度方程，求解节点位移，再 由节点位移求解应力 力法：以节点力为基本未知量，在节点上建立位移连续 方程，在解出节点力后，再加上节点位移和应力。
线性或高次单元。
美国solidworks 机械机构、流体及运动仿真
Corp.
软件
PAM-SAFE
法国ESI Group 汽车被动安全性仿真软件
有限元法
基本概念
有限元（Finite Element Method, FEM)是一种基于计算机的数值 仿真技术。 基本思想：
• 将形状复杂的连续体离散化为有限个单元组成的有效组合体，单元 之间通过有限个结点相互连接；