第五章虚拟样机和虚拟产品开发

1.CAD环境下的虚拟样机：
以计算机和CAD技术、仿真技术实现其功能，并不过分 强调设计、装配环境的真实模拟，又称数字样机。 与实际产品具有某种比例和精确尺寸，是以计算机的 数字形式表示的。按照承担的功能可分： 几何样机：主要表示产品的形状和装配结构 性能样机：在几何样机的基础上模拟物理样机的性能 功能样机：在几何样机的基础上模拟物理样机的功能
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5.3虚拟产品开发
2.虚拟产品开发相关设计方法和技术
并行设计 面向下游环节的设计（DFX）
面向装配的设计（DFA） 面向制造的设计（DFM） 面向成本的设计（DFC）
产品数据管理
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5.4 协同设计
基本概念：
主要是指在协同的环境下的产品设计过程。 为了完成某一设计目标，由两个或两个以上来自不同 专业领域的设计主体，通过一定的信息交换和协同机制 ，分别完成各自的协作任务，以完成共同的设计目标。 实质：通过交换、共享关于产品设计的信息和知识， 从而提高产品设计过程中决策的正确性，减少返工次数 ，加快决策过程，进而提高设计效率
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5.2数字样机关键技术
1.三维几何建模技术
数字样机的核心支撑技术，为数字样机的形状表达提 供了基本的建模工具和方法。 三维造型方法： 线框造型 线框造型： 曲面造型： 实体造型： 由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，在计算机 曲面造型 特征造型：包括几何、拓扑、尺寸、公差、加工、材料、 其数据结构以“面－棱边－点”三层信息表示物体 以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等基本体素为 中形成三维影像，描述产品的外形轮廓，用线框建 。它能对给出的一系列离散点数据进行逼近、插值、 实体造型 装配等与产品设计、制造相关的系统。目前线框造型、曲 单元体，通过集合运算生成所需要的真实、唯一的三维 立的物体几何模型，只有离散的空间线段，没有实 面造型、实体造型功能只能提供支持产品的几何性质描述 拟合而构成曲面，为形体提供了更多的几何信息，可 几何形体。其数据结构以“体－面－环－棱边－点”三 在的面，所以比较容易处理，但几何描述能力较差 特征造型 ，不能充分反映设计意图和制造特性。而特征造型不但能 自动消隐，产生明暗图、计算机表面积、生成数控加
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5.3虚拟产品开发
在虚拟产品开发流程中，产品设计的三步循环－－构 形（Form）、装配（Fit）、功能（Fuction）由CAD设计 、数字化装配（Digital Mock-up）和功能化虚拟样机仿 真构成（图虚拟产品开发流程）； 由于更注重功能，采用VPD技术的产品开发流程有时也 被称为功能驱动的开发流程。值得注意的是，VPD技术以 虚拟样机为核心，但并不排斥物理样机，虚拟产品开发 应该是虚拟样机与物理样机相结合的开发流程，并且随 着VPD技术应用水平的提高，物理样机的数量不断减少， 虚拟样机的数量和水平不断提高，设计评判的依据不断 由物理样机的试验数据向虚拟样机的仿真数据转移。
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THE END
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虚拟产品开发流程
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并行设计
并行设计（Concurrent Design）
对产品及其相关过程集成地、并行地进行设计.强调产 品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个 生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的 错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产 品开发周期、降低产品成本、提高产品质量. 强调的是各部门之间的充分交流与探讨，明确目标，形 成共识，早期制定各种翔实的计划，协同作业
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5.4 协同设计
特点
协同性
信息协同 过程协同
多主体性 异地环境
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5.4 协同设计
协同系统分类：
同步协同 异步协同
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5.4 协同设计
协同CAD环境
分为４个层次：
应用层：实现专用的CAD功能。多功能小组充分发挥各自的优势 ，利用各种CAX、DFX、RE、RPM、PDM等软件工具，在协同设计环境 的支持下，共同完成协同任务，快速响应市场需求 协作层：实现通用的计算机支持的协同工作。 通讯层：实现数据传输、通讯等 网络层：实现网络连接和网络支持
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5.2数字样机关键技术
4.仿真技术：
利用计算机模拟和动画技术来表现产品的运动特征 研究产品的工作性能 对样机进行动力学分析 通过仿真，设计人员能够在早期对产品的性能进行定 性和性量的描述和评价，可以避免或减少物理样机的实 验成本
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5.1虚拟样机
计算机模型的优点
成本低，周期短 同一产品可以建立多种计算机模型，而且便于修改 根据模型可快速完成各种工程分析所需的计算工作 可方便的模拟产品的各种运动状态 可方便的实施比例变换 便于人们观察产品的内部构造
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5.1虚拟样机
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5.2数字样机关键技术
产品的非几何属性定义： 包括BOM表所需的信息以及PDM所需的信息，例如产品 名称、材料、规格、设计者、设计时间…… 弥补了几何模型仅仅利用参数表示形状的不足，而将 产品的信息扩大到工艺、制造阶段。 产品的数字化模板定制：将企业的标准、规范以指定 的模式确定下来。如产品的建模精度、层的设定、绘制 标准、零件模型基本模式等。
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并行设计
日本NEC公司将某产 品的开发周期由6-8 个月缩短了3个月。
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面向装配设计DFA
面向装配设计(Design For Assembly)
是一种针对装配环节的统筹兼顾的设计思想和 方法，就是在产品设计过程中利用各种技术手段 如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的 装配环节以及相关的各种因素的影响，在满足产 品性能与功能要求的条件下，改进产品的装配结 构，使设计出的产品是可以装配的并尽可能降低 产品的装配成本和产品总成本．
第五章虚拟样机和虚拟产品开发
虚拟产品开发可以看做是以设计为中心的 VM，它通过建立产品的数字化原型（虚拟 样机或数字样机）代替传统实物模型，在 数字状态下进行产品静态和动态性能仿真 ，不断完善原始设计，使新产品开发一次 成功。
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5.1虚拟样机
在航空航天、汽车等领域大型复杂产品的研制开发过 程中，常使用各种实物模型来解决设计和制造中的各种 问题。如飞机的风洞实验。 实物模型：用物质材料制作的产品模型，又称物理模 型 计算机模型：利用计算机系统建立起来的产品的数学 模型。
产品的结构定义： 是产品的组成框架，不但作为零件装配的依据，而且是 生成产品各层BOM表的主要信息来源。 一个合理的产品结构应该具有产品定制功能和产品结构 的整体控制功能 产品定制功能是通过产品的结构树，根据用户的个性化 需求，快速制定出一个产品结构。 整体控制功能就是如何控制结构中的部件
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5.3虚拟产品开发
向VPD迈进的过程是一个循序渐进的过程，不同国家、 不同行业、不同企业应用VPD技术的程度和水平各不相同 ，如何评价企业虚拟产品开发的能力，如何与竞争对手 比较，成为每个企业在向虚拟产品开发迈进时必须考虑 的问题。
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5.1虚拟样机
关键技术： 虚拟现实环境的建立 零件的三维几何建模 装配结构的建立 装配信息的获取 装配过程和显示 装配动态干涉检查 装配工艺规划的制定
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5.2数字样机关键技术
1.三维几何建模技术 2.产品的数字化定义方法 3.数字化预装配 4.仿真技术
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可装配性分析与评价 指产品及其装配件易装配的能力和特性，是衡量装配 结构优劣的重要指标。（在虚拟装配一章中详细讲述）
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5.2数字样机关键技术
装配的间隙分析： 数字样机通过间隙分析判断装配的可行性，但不能 反映公差的作用。 无干涉 软干涉 接触干涉 硬干涉 包容
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装配零件之间的约束 常见的约束类型： 共面 平行约束 垂直约束 角度约束 距离约束 相切约束
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5.2数字样机关键技术
装配的间隙分析： 数字样机通过间隙分析判断装配的可行性，但不能 反映公差的作用。 无干涉 5.2数字样机关键技术 软干涉 接触干涉 硬干涉 包容
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面向装配设计DFA
DFA评价的主要思想：在满足产品给定功能要求 的同时，尽量减少组成产品的零件数，减少产品 装配的难度，从而提高产品的可装配性．但与此 同时，由于零件数的减少，产品零件形状复杂性 必将相对提高，引起零件加工难度和加工成本的 提高，即可加工性的下降． 但如果为了降低成本，一味追求产品可装配性 的提高，必将适得其反，引起总的制造成本增加 ．因此，必须兼顾两个方面，在进行可装配性评 价的同时，应考虑设计的可加工性，降低零件的 制造成本，使总的成本达到最少