虚拟仿真实验室建设之虚拟样机-鲍照森

虚拟样机Virtual Prototype
主讲人：鲍照森高级工程师
v 虚拟样机将引领下一波计算浪潮。

与之前的重大转型类似，虚拟样机将构建出更加美好的世界。

v 虚拟样机的潜力将被大大激发，为企业和社会创造更积极的影响。

智能时代
已经来临
目录 Contents
01、什么是虚拟样机？
02、虚拟样机对生活影响
03、虚拟样机的应用
04、虚拟样机的研究价值
PART-01什么是虚拟样机？
虚拟样机的定义
虚拟样机
Artificial Intelligence
计算机科学的一个分支v DMSO 虚拟样机定义
v 美国国防部建模和仿真办公室（DMSO ）的定义。

DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机技术则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的仿真测试和评估的过程。

随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性
的市场竞争日益激烈。

v 企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发
周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，而基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷（成本高、周期长、风险大），产品结构越复杂，浪费越严重，从而严重地制约了产品质量的提高。

虚拟样机技术的出现为解决这些问题提供了强有力的工具和手段。

北京炎凌嘉业教育技术研究院
产品设计虽然只占产品整个成本的5％，但它却影响产品整个成本的70％。

产品设计数字化的技术的发展（2）并行工程的认识
国外对产品开发问题的认识－汽车、电子、武器系统等
•产品开发早期阶段决定产品成本的绝大部分；
•设计早期的决策错误对后续的影响是1×10原则；
由此可见，早期阶段作出正确决策是产品开发成功的首要因素。

传统制造业典型的产品开发过程
概念
设计制造测试产品
串行开发模式：导致开发周期长、开发成本高！
基于虚拟样机的产品开发
Time = $基于虚拟样机的设计的开发时间
无虚拟样机的设计的开发时间并行开发模式：大幅缩短开发周期、降低投资风险！
产品设计数字化的技术的发展
并行 工程
使能技术与工具
产品数字化建模、信息集成CAx 、DFx 、PDM
开发过程重组
过程建模、分析、改进、监控等
集成产品开发团队
计算机网络 数据库 CSCW
协调与冲突仲裁
组织环境
协同工作环境
虚拟样机技术
传统的产品设计过程，从新产品研制到产品批量生产，需制作多个产品物理原型，但是物理原型特别是具有产品内在功能的原型，其设计周期长、成本高。

九十年代以来，随着计算机技术、信息技术、仿真技术和计算机集成制造技术（CIMS）的迅速发展，虚拟原型在产品设计和制造中显示出越来越重要的作用。

虚拟原型（Virtual Prototype，VP），即数字化模型（digital mock-up）是产品物理原型的计算机仿真，是根据产品设计信息或概念描述产生的在功能、行为以及感官（视觉、听觉、触觉等）特性方面与实际产品尽可能相似的可仿真数字模型。

虚拟样机（Virtual Prototyping）是建立（Construction）和应用（Testing）虚拟原型的过程。

包括虚拟原型建模与仿真、虚拟原型设计评价及其他支撑技术如集成设计环境技术、信息集成技术、网络通讯技术等。

协同虚拟样机技术（Collaborative Virtual Prototyping）是在分布的环境下，多领域专家协作建立和应用虚拟原型的方法，它是并行设计、协同设计与虚拟样机技术的综合。

虚拟样机技术
虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，建模仿真理论为核心，以各领域CAx（如CAD、CAM、CAE等）/ DFx（如DFA、DFM等）/
仿真为工具的一种综合应用技术。

测量装配序列装配过程仿真
–多CAD 模型集成装配动态干涉检查动态剖面检查接近度阵列
虚拟样机技术特点
ü强调系统的观点----强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；
虚拟样机技术特点
ü涉及产品全生命周期----虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期，并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善；
生产
销售
使用
维护/服务
报废/回收
规划设计/确认
制造概念设计
虚拟样机技术特点
ü支持产品的全方位测试、分析与评估---支持不同领域人员从不同的角
度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估活动。

ü强调不同领域的虚拟化的协同设计。

虚拟样机相关技术
1.总体技术
2.建模技术
3.协同仿真技术
4.虚拟环境技术
5.性能评估技术
6.模型VV&A（校验、验证和确认）技术
7.集成管理技术
虚拟样机的产品特性
降低产品设计周期
全球性的市场竞争日益激烈。

企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期降低物理样机成本
传统物理样机结构越复杂，浪费越严重，从而严重地制约了产品质量的提高。

降低设计风险
虚拟样机来代替物理样机，便于设计师评审方案，在物理样机投入资金之前，快速修正设计，降低开发风险便于设计师交流
设计师利用虚拟样机，进行仿真分析，便于设计师交流评审方案，从而修改得到最优化设计方案的技术。

便于终端用户理解产品
传统设计方案，终端用户很难理解，而虚拟样机真实的描述了未来物理样机的所有特性，终端用户和设计师通过虚拟样机可以完美的沟通，从而使物理样机的市场营销进程加快。

提高企业产品培训和宣传效率在企业的新产品没有量产之前，虚拟样机就可以
高效率的培训市场人员和企业的终端用户
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北京炎凌嘉业教育技术研究院虚拟样机的思想和内容Array 1.虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用
计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析，便于设计
师交流评审方案，从而修改得到最优化设计方案的技术。

2.传统设计方案，终端用户很难理解，而虚拟样机真实的描述
了未来物理样机的所有特性，终端用户和设计师通过虚拟样机可以
完美的沟通，从而使物理样机的市场营销进程加快。

虚拟样机是计
算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的
能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括
机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

虚拟样机从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断
扩大，可以设想，未来虚拟样机带来的科技产品，将会是人类智慧
的“容器”。

虚拟样机研究学科
虚拟样机技术是使计算机来实现某些思维过程由抽象变具象的学科
通过对所要研究系统模型的开发，帮助人们了解系统的行为，而不管该系统是真实，还是假想的 。

虚拟样机
规划
互动
评审
思维
v 虚拟样机将涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。

v 可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远超出了计算机科学的范畴，虚拟样机与思维科学的关系是实践和理论的关系，虚拟样机是处于思维科学的技术应用层次，是它的一个应用分支。

v 从思维观点看，虚拟样机不仅限于逻辑思维，要考虑形象思维、灵感思维才能促进虚拟样机的突破性的发展，数学常被认为是多种学科的基础科学，数学也进入语言、思维领域，虚拟样机学科也必须借用数学工具，数学不仅在标准逻辑、模糊数学等范围发挥作用，数学进入虚拟样机学科，它们将互相促进而更快地发展。

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PART-02
虚拟样机对生活影响
1虚拟样机对自然科学的影响
在需要使用数学计算机工具解决问题的学科，虚拟样机带Array来的帮助不言而喻。

更重要的是，虚拟样机反过来有助于
人类提高智能设备的研发能力。

2虚拟样机对经济的影响
专家系统更深入各行各业，带来巨大的宏观效益。

虚拟样
机也促进了计算机工业网络工业的发展。

但同时，也带来
了劳务就业问题。

3虚拟样机对社会的影响
虚拟样机也为人类文化生活提供了新的模式。

现有的游戏
将逐步发展为更高智能的交互式文化娱乐手段，今天，游
戏中的虚拟样机应用已经深入到各大游戏制造商的开发中。

虚拟样机技术是一种全新技术，包含着先进的设计理念，虚拟样机应用于各行业方案设计与验证、详细设计、测试与评估、生产与维护等方面，可有效减少设计反复、缩短开发周期、降低设计费用、提高设计成功率及提高可靠性和安全性。

虚拟样机技术与固体火箭发动机设计技术结合具有重要的研
究价值和广阔的应用前景。

PART-03虚拟样机的应用
虚拟样机的应用领域
应用领域
9
医疗器械
2
医疗设备
3
专家系统
10
宣传培训的任务
11
复杂任务
5
设计方案的理解
8
庞大的信息处理
6
智慧工厂
1
机械设计12
规模庞大的设计任务
6
自动程序设计
4
机器人制造
7
航天应用
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虚拟样机技术的应用 1.是面向虚拟现实的虚拟样机，强调数字模型在感观特性方面与实际产品的一致性，可以通过数据手套、头盔等对虚拟原型进行实际操作，验证原型外在特性
和内部功能及性能等，主要应用在消费类电子、通讯产品及医学等领域，如万生药业的医疗器械研究院研究的尿动力仪虚拟原型。

该虚拟样机已经在代理商培训和终端用户的培训方面取得了巨大的经济效益。

现在产品已经在北京各大医院ICU病房和手术室使用。

虚拟样机技术的应用
2.是面向行为、结构仿真的虚拟样机，或称为机械系
统仿真，强调数字模型在行为及结构方面与实际产品
的一致性，主要是利用虚拟原型仿真产品的几何和运
动特性，通过原型可视化进行产品外形设计、布局设计、可达性设计、运动和动力学仿真、装配仿真等，
主要应用于机械设计领域。

典型的应用是机械系统仿
真软件Adams。

右图为广东肇庆闭门器自动化组装设备的虚拟样机，该虚拟样机完整的动态的表达了产品的设计思路，并
且在设计师与设计师、设计师与终端用户的思想交流上，起到了积极作用。

大大减少最终物理样机的投资
风险。

虚拟样机技术的应用 3.是面向并行工程的虚拟样机，强调从概念、设计、分析到可制造性等阶段连续的计算机仿真，目的是减少设计反复，缩短产品研制周期，降低成本，主要应用在航空航天、船舶等领域，有代表性的实例是Boeing公司Boeing 777客机和西克斯基飞机公司的科曼奇武装直升机研制，采用虚拟原型技术后，前者比起以往飞机设计，减少了94%的花费，减少了93%的
设计更改，后者减少了11590小时飞行测试时间，节约经费总计六亿七千三百万美元，获得巨大经济效益。

虚拟样机技术的应用 4.是面向国防工业虚拟采办的虚拟样机。

强调虚拟原型在虚拟环境中功能与实际产品的一致性，如美国国防部联合建模和仿真系统（简称J-MASS），J-MASS 体现了对新型武器系统研制进行全寿命周期管理的思想，是协同虚拟样机技术在虚拟采办领域的一个典型应用。

PART-04
虚拟样机的研究价值
PART-04虚拟样机的研究价值
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