作者：任颖
来源：《科技资讯》 2013年第33期
任颖
(中国安全生产科学研究院 北京 100012)
摘 要:数字化虚拟样机是利用计算机辅助设计技术,应用软件程序,在数字化环境中完成机械装备的设计。该项技术的使用和漫游可使检验研制成果的手段提前化。在计算机模型中设计完成机械装备后,可以检验其装备干涉情况、机构运动情况、运动干涉情况、关键零组件的应力载荷情况等;辅以计算机辅助分析系统,还可以对热力学、弹性形变、使用寿命、可靠性等综合信息进行提前的预测与分析。这就使实体样机在制造出来之前,便经过充分的技术检验,从而将设备研发及安全生产的风险扼杀在摇篮当中,提高实体样机的安全生产和成功率。 关键词:数字化虚拟样机 有限元分析 数控工艺 产品质量先期策划
中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)11(c)-0047-02
改革开放以来,我国的制造产业高速发展,到21世纪,已经占据了世界制造业领域1/5的份额。然而,随着原材料及劳动力市场成本的增加,我国劳动力密集型的制造业优势将越来越小,我国的制造业企业面临着提升产品核心竞争力和提高研发创新能力的挑战。自20世纪90年代末起,在制造业领域,机械设计和设备研发逐步引进CAD(计算机辅助设计)技术,利用计算机强大的计算能力和精确制图,帮助产品研发和设计部门提升研发效率。在现代的大背景下,CAD技术不断发展和革新,利用计算机技术实现数字化虚拟样机来辅助工业装备的研发,提高其技术能力并缩短研发周期便成为大势所趋。下文将介绍数字化虚拟样机技术,并论述其在工业装备研发及安全生产领域所发挥的重要作用。
1 数字化虚拟样机技术的基本介绍
数字化虚拟样机,即利用计算机辅助设计技术,应用软件程序,在数字化环境中完成设计的各型装备。在过去的20年中,CAD技术在机械设计专业中的应用,主要体现在辅助制图方面。利用计算机的精确计算和制图能力,可以快速生成产品制造所用的设计图样和生产作业指导书,可以说,计算机技术在很大程度上提高了机械制图的效率与准确度,并使图纸的更改和复用更为方便,但其技术主要停留在二维设计方面。随着计算机硬件性能和计算机软件功能的提升,一些设计单位逐步使用三维造型技术来开展产品设计,这就使CAD技术在辅助机械绘图之外,更多地起到了辅助产品研发的作用。
虚拟化虚拟样机就是利用三维CAD制图技术,在计算机环境中创建设计产品的完整虚拟实物。虚拟样
中档化妆品机虽然不具有实体样机的现实功能,但在计算机模型中,其几何学模型、结构特征、物理性质、机械原理、零部件组成、装配关系、力学特性、材料特性均十分完整,并且与实体样机保持一致。也就是说,虚拟样机的理想模型,除了没有实体,其属性应该是与真实设备完全相同的。
2 应用实践
2.1 技术应用的现实意义
那么数字化虚拟样机技术有何现实意义呢？答案是:其意义非常重大,价值也十分突出。众所周知,工业装备的研发是一个周期较长、技术难度较高的系统性工作,而过去检验研制成果的唯一办法就是制造样机,并予以测试,当发现样机中存在技术问题时,便寻问题所在,对设计方案或样机进行改造,直到其可适应研发要求为止;而针对一些特种设备,例如航空航天器、汽车及汽车配件、矿山井下设备等,因为其工作环境的特殊性及高度的运行安全要求,样机制造出来后,要进行特殊形式的虚拟实验,创造实验环境和计算验证结果也是一个复杂的、高成本的工程课题,虚拟样机的验证则可辅助研发单位解决这一业务难题。
2.2 应用实例
举例来说,某一著名的矿山设备生产企业研发出一种井下安全液压支架,由于其工作环境在煤矿巷道
下,地质环境特殊,其作用是保护矿井及大量井下作业人员的生命安全,那么该型号安全液压支架的性能稳定性与设备功能的验证就显得尤其重要,研发企业不得不开展大量的试验工作,而这些试验工作通过数字化虚拟样机的帮助,以很高的效率完成,后来实体样机的试验过程,几乎没有出现过设计方面的偏差(如图1）。
除此以外,诸如航空航天、原子能反应设备等,几乎不可能进行实景验证,大多的实验与分析只能靠数字样机来完成。
2.3 技术原理
数字化虚拟样机技术的应用为什么能够缩短工业设备的研发周期呢？因为计算机软件技术已经能够
实现虚拟现实的结构化三维建模,在这一虚拟模型中,数字化样机具有与现实相同的几何结构、装配关系、材料属性、力学属性和工作环境。拥有了这些基础架构之后,研发人员便可以利用计算机强大的计算功能与准确的计算结果,来对研发出的设备或机构进行有效的验证。例如,将设备的零部件按照设计要求装配起来后,可利用数字化样机进行静态和运动状态下的干涉严查,在几何空间中重叠的零部件将由计算机自动判定,这样在产品试制前就可提前发现组装问题;将关键零件的材料及其物理性质,如弹性模量、泊松比、硬度、刚度、柔度、工况应力输入给计算机系统后,研发人员便可以得到设备承重部位的有限元分析结果;将自由度、装配原则和工作原理输入到数字样机中后,计算机同样也可以完成系统的智能装配,并完成数字仿真。
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南京禽流感最新消息 3 数字化虚拟样机技术在数控工艺领域的应用
在数控加工编程工作中,数控工艺师往往依赖于加工经验来设计加工轨迹,并藉此完成数控代码的编写。在引进数字化虚拟样机技术后,数控编程工作得到了强有力的辅助。首先,数字化虚拟样机提供了完整的理想加工几何模型,又可通过代码的反编译推导出几何学的刀具切削轨迹和切削过程。这两种数字化结果的结合,便可实现数控加工过程的数字仿真。各种加工方案执行过程可以在此数字仿真过程中予以虚拟实践,而这个过程中可能出现的意外,也将由计算机系统判断出来,例如刀具、工装等的干涉,若能提前予以预知,则可避免在数控加工过程中出现不必要的损失或危险;加工完成后的预计结果,可以与理想几何模型进行对比,提前预判此工艺路线能否达到精度要求;加工过程中刀位点的捕捉与统计,可以
协助数控工艺师判断加工过程的经济性等等。
4 新技术对工业设备研发及安全生产的促进作用
4.1 新技术对工业设备研发及安全生产的促进
在机械制造业全球的发展态势下,产品研发的创新能力正渐渐成为企业关键的核心竞争力,尤其是面对订单进行产品研发及生产的离散型制造业,其产品开发面临着降低成本、缩短研发周期、提高研发效率及提升产品质量的多种压力,因此在工业设备制造领域,提升产品研发能力以及安全生产成为愈发重要的关键环节。数字化虚拟样机技术的不断发展,为制造行业,特别是我国的工业装备生产企业带来技术改良与创新的良好契机。
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4.2 降低设备开发成本
首先是成本问题,研发环节能够决定产品70%以上的制造成本。设计方案与产品架构的优化,关键部位零部件的高性能及样机的高成功率都是降低研发成本的关键。通过数字化样机的分析与仿真,可协助产品架构达成最佳的经济型,避免样机在制造和验证过程中因设计问题出现不断的反复,避免提前采购原材料和反复的试制验证工作,这当然可以有效降低产品成本,而且远比控制生产制造环节的原材料浪费和设备资源荒废更加具有实际意义。一些技术型公司愈来愈多地将低附加值的生产工作外包,这也是增加利润的有益手段。
4.3 缩短研发周期
再来看看设备研发效率的管理。除了利用项目管理、产品数据管理和三化(标准化、模块化、系列化)设计手段外,若能够合理利用数字化虚拟样机技术,可压缩产品设计验证阶段的周期。由于在产品数字样机中修改设计参数的成本几乎为零,而其周期也比通过验证再返工明显缩短,因此数字样机技术的应用可以缩短产品生命周期过程中验证与设计更改阶段所占用的工作实践,从而有效提高研发效率。
4.4 提高产品安全质量
我们继续讨论产品质量环节的改善。毫无疑问,传统的产品设计模式对产品质量的保证更多地依赖工程计算、设备工况试验和质量保证体系。在新技术和理论不断更新的21世纪,我们在提高产品质量方面拥有更多选择。数字化的产品模型可支持大量的几何学运算和工程计算分析,过去依赖设计师经验和复杂人工计算的工作模式正在悄然发生改变。设计师可以根据虚拟环境中的几何模型分析出设备的力学特征、运动学特征,诸如重心、力矩和应力等,同时也可以对特殊材料的性能进行计算,从而利用计算机系统可以完成快速、准确计算的特点,避免因认为失误造成产品缺陷,从而影响工业设备的整体质量。
5 结语
数字化虚拟样机技术的出现,使检验研制成果的手段提前化。在计算机模型中设计完成机械装备后,
我们可以检验其装备干涉情况、机构运动情况、运动干涉情况、关键零组件的应力载荷情况等;辅以计算机辅助分析系统,还可以对热力学、弹性形变、使用寿命、可靠性等综合信息进行提前的预测与分析。这就使实体样机在制造出来之前,便经过充分的技术检验,从而将设备研发的安全风险扼杀在摇篮当中,提高实体样机的一次成功率。
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综上所述,笔者结合工业设备研发企业应用数字化虚拟样机的实践经验,尝试论述这一技术的深入应用将为工业设备的研发带来的创新与变革,并探索其关键价值。我们已经看到,各企业自主研发与创新意识在不断加强,伴随着近年来计算机技术的飞跃发展,数字化虚拟样机技术必将带给工业设备研发工程以更多的辅助与提升。
参考文献
[1] 刘小年.机械制图[M].2版.北京:机械工业出版社,1999.
[2] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会.机械工程手册:第三卷[M].北京:机械工业出版社,1996.
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