虚拟仿真技术在产品开发中的应用研究

陈 玮，芦宏斌，鲁茗莉，李卫华

（军事医学科学院 实验仪器厂，北京 100850）

0 引言

当今世界产品结构日益多样化和个性化，短周期、低成本、高质量以及灵活的市场反应能力成为竞争的重点。现代工业技术的发展表明，产品的创新是基于知识和信息的创新设计[1]。虚拟仿真技术正是适应产品开发这一发展趋势而迅速发展起来的、应用非常广泛的一项高新技术，它将计算机的快速性、准确性以及信息高度集成性和设计人员的创造性思维、综合分析能力充分地结合起来，实现从产品概念、造型设计、结构设计、机构设计、工程分析、装配及动画演示直到工程制造全部过程计算机化，实现产品设计的系统化，缩短产品开发周期，从而创造出实用、经济、美观宜人的产品。虚拟仿真技术的应用己经给人们带来了巨大的社会经济效益。

虚拟仿真的表现方法有多种，如有数值仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实（VR）仿真等。为数值仿真的过程及结果显示增加文本提示、图形、图像、动画表现，可以使仿真过程更加直观，结果更容易理解，并能够验证仿真过程是否正确[2]。

高度发展的科学技术与代表新世纪潮流的优秀工业设计强强联手，在经济竞争中将扮演重要的角色。虚拟仿真技术从多方面改变着传统的设计方法。一方面，为产品创作提供了新的艺术表现手段；另一方面，它采用以计算机技术为核心的现代高科技，在产品设计过程中为设计师提供实时的、交互的、动态的、主动的，而完全不同于以往的设计方式。

虚拟仿真技术使设计人员、制造者和使用者的信息交互的深度、广度和速度都得到了很大的提高，符合现代设计技术发展的大趋势。正是由于仿真技术给工程和科研领域带来的优势是巨大的，因此该技术在近些年的发展十分迅速[3]。

1 虚拟仿真技术应用

在许多先进发达国家，近十年先进制造技术的应用与发展都与信息技术紧密相关，而且在实施先进制造技术的过程中，不仅应用了许多现代设计技术，如优化设计、有限元法，计算机辅助设计等，而且总结与提出了许多新的设计理论和技术，如模糊设计、可靠性设计、虚拟设计等等。本文针对虚拟仿真技术中概念设计、产品造型设计、产品结构工程分析（CAE）、运动学以及动力学分析、计算流体力学（CFD）仿真这几个方面加以阐述。

1.1 概念设计

这一阶段工作的核心是创意，设计团队综合考虑产品功能、质量、效益、使用要求及制造工艺，提出具有创新性的解决方案，使产品在设计之初，不仅表现在功能上的优越性，而且便于制造，生产成本低，从而使产品的综合竞争力得以增强。许多发达国家的公司都把设计看作热门的战略工具，认为好的设计是赢得顾客的关键。

1.2 产品造型设计

产品造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。它是以所开发产品为对象，从美学、自然科学、经济学等方面出发，进行材料、构造、加工方法、功能性、合理性、经济性、审美性的推敲和设计。综合协调地对产品款式进行塑造和设计。

产品造型是利用CAD系统的三维图形功能完成的,设计人员在计算机上模拟出所设计产品的外形状态,产品的创意方案可以通过快速的三维建模、渲染,实现立体设计,并且在形体感觉、形态调整、色彩等方面进行随时的改变调整,传统的效果图失去了原有的地位。在设计之初就对产品进行形态优化，不但可使产品具有优越的品质、最低的消耗和最漂亮的外观,而且在新产品试投产前,就可以对其制造过程中的结构、加工、装配、装饰和动态特征做到恰如其分的分析和检验,从而提高了产品设计的一次成型。

在产品设计过程中，设计人员大量的时间、精力可用在分析、评价、调整上,使传统的设计程序在侧重点上有了变化[4]。同时，计算机的内容都是数字化的，文件复制没有任何损失，这样对同一设计，其他人也可共享，设计任务也可分阶段、分人、分地点完成，大大提高了工作效率。

在产品造型设计的各个阶段，利用虚拟数字模型方便、快捷的进行各种调查和实验，可以取得适用面更广、更接近真实状态的实验数据。建立在实践基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性。具体的示例产品表达如图1、图2所示。

图1 产品的二维和三维概念表达方式

图2 产品三维效果表达方式

1.3 产品结构工程分析（CAE）

随着计算机技术的发展，有限元法在工程设计和分析中得到了广泛的应用，有限元的核心思想是结构的离散化，是解决复杂工程问题的有效途径，合理使用工程分析软件，可以有效提高产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期。这些工程分析工具使设计技术的表达方法变得容易和方便。这些有助于设计人员进行合理的结构、强度、运动等设计工作。目前，市场上支持产品开发设计的计算机辅助工程分析（CAE）软件种类较多。比较流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、 ANSYS、 ABAQUS、 MARC、 MAGSOFT、 COSMOS等。

CAE技术主要包括以下三个方面的内容[5]：①有限元法的主要对象是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容；②仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容；③优化设计的主要对象是结构设计参数。

产品开发过程中CAD技术方面工作通常包括以下三个步骤：①使用计算机测试代替昂贵的现场测试，从而减少成本；②减少产品开发周期的次数，从而缩短产品问市时间；③快速模拟多个概念与情景，使用户在作出最终决定之前有更多思考新设计的时间，从而优化所做的设计。

具体结构强度校核示例如图3所示。将连续实体划分为有限单元的过程称为网格化，有限元素分析程序将模型视为由相互连接的单元组成的网格，在产品设计周期中，有限元分析是用来预测产品在使用过程中将会发生的事情。

图3 简化模型图

1.4 计算流体力学仿真

计算机技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。

计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程 （Euler或Navier-Stokes方程）以发现各种流动现象规律的学科。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。

自20世纪60年代以来CFD技术得到飞速发展，其原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。

40年来，CFD在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化、并行计算等方面取得飞速发展，并给工业界带来了革命性的变化。如在汽车工业中，CFD和其它计算机辅助工程（CAE）等工具一起，使原来新车研发需要上百辆样车减少为目前的十几辆车；目前在航空、航天、汽车等工业领域，利用CFD进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段[6]。具体电脑机箱CFD仿真示例如图4，图5所示。

总之，CFD相当于 “虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。即CFD=流体力学+热学+数值分析+计算机科学。

图4 机箱模型

图5 机箱内气体温度场云图

2 结论

经济全球化、交流网络化、设计虚拟化，这是人类在新世纪的未来生活方式。伴随着计算机软硬件技术的迅猛发展，作为计算机尖端应用的虚拟仿真技术己经为今天的工业设计师提供了强大的工具。

计算机仿真技术的飞速发展，不仅意味着设计手段的改变，同时改变了工业设计的思维方式。推动着制造业从产品设计、制造到技术管理一系列深刻、全面、具有深远意义的变革。

产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需要根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。

展望虚拟仿真技术从萌芽到今大的日渐成熟已经走过了相当长的一段历程。虚拟仿真技术在某种意义上极大的改变人们的思维方式。之前的产品表现形式虽有华丽的外表，但是缺乏对产品空间的系统认识和人机之间的交互。虚拟仿真技术不仅可以提高产品展示的真实性和交互性，而且可以逆向的辅助产品开发设计。

[1]谢友柏，在互联网上实现合作设计[J].航空制造技术，2001，2.

[2]赵能.虚拟仿真技术在建筑设计中的应用研究[D].湖南：长沙理工大学，2009，5.

[3]陈盈盈.基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究[D].上海：上海交通大学，2008，1.

[4]刘永翔.产品设计实用基础[M].北京:化学工业出版社,2003.

[5]魏来生.CAE技术及其在车辆行业的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化，2005，6.

[6]尹思艺.用CFD模拟分析优化室内通风效果[J].城市开发，2010，18.