有限元在制造業(yè)中的發(fā)展應用和CAE的前景

2013-07-25 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓中心來源:仿真在線

本文探討了制造業(yè)中的CAE發(fā)展應用問題。

1 系統(tǒng)仿真類型介紹

在工程技術(shù)界,系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型實驗,去研究一個存在或設(shè)計中的系統(tǒng)。表1所列是系統(tǒng)仿真的仿真類型、模型類型、計算機類型和經(jīng)濟性。

由表1可見,計算機仿真已成為系統(tǒng)仿真的一個重要分支,系統(tǒng)仿真很大程度上指的就是計算機仿真。計算機仿真技術(shù)的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機工程的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。一方面,控制工程、系統(tǒng)工程的發(fā)展,促進了仿真技術(shù)的廣泛應用;另一方面,計算機的出現(xiàn)以及計算機技術(shù)的發(fā)展,又為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強大的支撐。計算機仿真一直作為一種必不可少的工具,在減少損失、節(jié)約經(jīng)費開支、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要的作用。

2 計算機仿真在制造業(yè)的應用和發(fā)展現(xiàn)狀

制造業(yè)在國民經(jīng)濟中一般都占有最大的比重,自70年代以來,全球性的市場競爭日益激烈,產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個性化方向發(fā)展,產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短,一些自動化技術(shù)如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPⅡ及CIMS都得到快速發(fā)展。系統(tǒng)仿真作為一種重要手段,通?？梢詽B透到它們當中去,并幫助它們實現(xiàn)集成,從而促進了一些先進制造技術(shù)的發(fā)展。在50年代,最引人注目的仿真領(lǐng)域是火炮控制和飛行控制系統(tǒng);60年代,是火箭和導彈控制系統(tǒng);70年代是航天、核能和經(jīng)濟管理系統(tǒng);到80年代,最引人注目的仿真領(lǐng)域就逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng),并且呈現(xiàn)出一種生機勃勃的局面。

從本質(zhì)上講,仿真技術(shù)就是建立仿真模型和對模型實驗的一種技術(shù)。計算機仿真過程的實現(xiàn)一般都可由計算機高級語言、仿真語言和仿真軟件來完成(如圖1所示)。典型的仿真軟件有仿真環(huán)境、仿真語言和程序包3種形式,其功能覆蓋是不完全相同的。從下到上,大體反映了仿真軟件的發(fā)展過程。到80年代中后期,開始出現(xiàn)了一體化仿真環(huán)境?，F(xiàn)在,面向制造系統(tǒng)的仿真出現(xiàn)了一體化支撐軟件,實現(xiàn)了仿真建模、仿真運行、輸出分析的集成環(huán)境,仿真監(jiān)控運用了并發(fā)執(zhí)行機制,在數(shù)據(jù)庫管理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果的統(tǒng)一管理,人工智能技術(shù)也應用在仿真建模、仿真運行和仿真結(jié)果的分析中。此外,廣義制造系統(tǒng)仿真器的出現(xiàn),實現(xiàn)了對某類制造系統(tǒng)的非語言建模、模型數(shù)據(jù)驅(qū)動等功能。這類典型的一體化仿真軟件有TESS,IBIS;廣義仿真器有AUTOMODⅡ,FATOR,GEMS,WITNESS等〔1〕。

3 計算機仿真的研究熱點及對制造業(yè)的影響

80年代以來,系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱、橫方向發(fā)展,在制造業(yè)方面,一個比較明顯的進展就是“虛擬制造”。根據(jù)虛擬制造的概念,整個產(chǎn)品的設(shè)計和制造首先在計算機上進行,這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR——Virtual Reality)亦稱虛擬環(huán)境技術(shù)、靈境技術(shù),是一種最有效地模仿人在自然環(huán)境中的視、聽、動等行為的高級人機交互技術(shù)。它是在綜合計算機圖形學、計算機仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多門科學技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它有2個基本特征,即“靈境感(Immersive)”和“交互感(Interactive)”。通過這2個基本特征,虛擬現(xiàn)實技術(shù)能描述事物內(nèi)部及其相互間真實的作用和交互,使用戶仿佛置身于一個虛擬的世界中,從而拉近了用戶與環(huán)境之間的距離,改變了人機交流的方式〔2〕。利用VR技術(shù)的這些特性,可以對產(chǎn)品的各個階段提供支持,例如在虛擬環(huán)境下設(shè)計產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線,測試和裝配產(chǎn)品的零部件,客戶可以驗證產(chǎn)品是否符合要求等。

近年來,計算機仿真技術(shù)在制造業(yè)應用的另一個研究熱點——虛擬產(chǎn)品開發(fā)也是引人注目的。虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD——Virtual Product Development)首先源于并行工程(CE——Concurrent Engineer)思想。這種思想將現(xiàn)代先進的組織形式跟現(xiàn)代的哲學、文化混合為一體,是對產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)過程(制造過程、使用過程和支持過程)進行并行的、一體化設(shè)計的一種系統(tǒng)化工作模式。CE能在產(chǎn)品開發(fā)一開始就考慮到投資、生產(chǎn)制造、裝配、銷售和維護以及報廢等產(chǎn)品的整個生命周期的所有因素,這對解決產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的矛盾是非常有益的。VPD就是在CE方法論的指導下,把CAD、CS和大規(guī)模產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合起來,形成一個虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境,使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠在這種環(huán)境下策劃產(chǎn)品、設(shè)計產(chǎn)品、預測產(chǎn)品在真實環(huán)境下的性能、特征以及真實工況下所具有的響應,從而減少反復和變更的次數(shù),減少甚至取消制作物理原型樣機,如此就能很好地檢驗設(shè)計、指導和優(yōu)化設(shè)計,有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和大量地節(jié)省開發(fā)費用。VPD仿真技術(shù)是仿真技術(shù)發(fā)展的又一重要領(lǐng)域,它能深入到各種復雜產(chǎn)品的制造中,能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

現(xiàn)在,仿真技術(shù)的應用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開放復雜的大系統(tǒng)。當仿真對象分布于廣闊的時空領(lǐng)域,仿真任務要求將不同地理位置、不同類型(包括人在內(nèi))的仿真對象構(gòu)成一個統(tǒng)一整體進行仿真時,產(chǎn)生了分布交互化仿真(DIS——Districted Interactive Simulation)。這種仿真系統(tǒng)里包含有不同類型的實體—虛體、真實實體和構(gòu)造實體,這些實體可以基于不同目的系統(tǒng)、不同年代的技術(shù)、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成,并允許它們交互操作。DIS實現(xiàn)用計算機網(wǎng)絡將不同地點的仿真設(shè)備連接起來,通過實體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時空到合成仿真環(huán)境的一種先進仿真技術(shù)。在這種復雜的分布綜合的系統(tǒng)進行實時仿真時,必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應的處理。美國是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國家,已經(jīng)完成了多項基于虛擬仿真的DIS工程項目,相關(guān)的協(xié)議與標準已經(jīng)完成或正在完成。

在制造行業(yè),已經(jīng)產(chǎn)生了類似于DIS的虛擬研究開發(fā)中心或虛擬企業(yè)。香港生產(chǎn)力促進局和香港城市大學共建的快速科技中心就是一個虛擬研究開發(fā)中心。此外,為了適應快速變化的世界市場,克服單個企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需資源的局限性,出現(xiàn)了在一定時限內(nèi),為了某一市場機遇,通過網(wǎng)絡臨時聯(lián)結(jié)的一種動態(tài)聯(lián)盟——虛擬企業(yè)。

美國波音(BOEING)公司可以把777飛機的研制、生產(chǎn)做到幾乎“無圖紙”的程度。波音777飛機的研制、整機設(shè)計、裝配、部件測試以及各種試飛,都是由計算機完成的。它能將開發(fā)周期從原來的8年縮短到5年,節(jié)約了數(shù)百萬美元經(jīng)費。

4 結(jié)束語

圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計到終止使用的整個生命周期,再從決策者、設(shè)計師、制造商、銷售商和用戶等全方位地去觀察和研究產(chǎn)品,仿真技術(shù)已顯示出它強大的生命力和發(fā)展?jié)摿?。面?1世紀,同其他領(lǐng)域一樣,制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)的仿真規(guī)模正在不斷地擴大,仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向發(fā)展。

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