虚拟仿真在产品设计中的应用研究综述

罗竞

（绵阳广播电视大学，四川 绵阳 621000）

现在工业产品市场竞争越发激烈，市场对产品价格、外观和更新的要求更加严苛。原有的工业产品设计方法存在着成本高、设计周期长、修改麻烦等问题，已不能顺满足需要。而运用数字虚拟仿真技术的工业设计，是用以三维数字仿真模型作为设计构思的基础，来正确体现产品设计者的创意。

作为产品设计者我们要想让仿真技术得以应用，就要做到以下几点：①虚拟仿真要有一定的可信度，这样结果才能有可信数据，得以引用。②仿真结果能够在一定合理的时间限度里获得。③有真实的建模/仿真工具配合，让产品设计者能够运用仿真模型，运用虚拟仿真并得到结果。本文查阅了近10年的有关虚拟仿真在产品设计中应用的相关研究论文，从虚拟仿真的技术优势、虚拟仿真研究的热门领域等方面对虚拟仿真在产品设计中的应用研究现状进行分析和归纳整理，论述常规方法和基本概念，并试图探究新的突破作为未来的研究方向。

1 虚拟仿真在产品设计中的技术优势

即为什么要研究虚拟仿真在产品设计中的应用。在传统的产品设计流程中，总是设计简单的模型及公式，由此设计产品的结构和各种参数，以为局限和预留误差等原因，结果导致数据不准确，从而影响设计效果。而虚拟数字仿真技术完全可以模拟产品设计流程的实际情况，这样我们如果在产品设计初级就引入这种虚拟仿真手段，就能全方位解析产品的结构、电磁力及散热等数据，从而使产品设计的各种参数指标达到最优值。

在产品设计中，利用数字化虚拟手段来呈现真实的效果，这个过程就叫做引入数字虚拟仿真。数字虚拟仿真大体包括：产品形态仿真、颜色材质仿真、机械动作仿真、人体工学仿真、工艺制作仿真等。在整个设计各阶段引入虚拟数字仿真技术进行科学的试验，从而可以得到更科学和客观的结果。因此，与传统设计方法相比，虚拟仿真技术不断从设计方法、设计步骤、设计效率及质量各方面进行了突破。

2 虚拟仿真研究的热门领域

2.1 CAE仿真

CAE（Computer Aided Engineering）即是指产品设计中的计算机辅助工程，用虚拟仿真的技术来分析复杂工程和产品的结构力学及优化性能等，把产品设计的各个环节组织起来，将关键的信息收集起来，而运用到实际产品设计问题的解决中。CAE技术的引入大量代替了传统的试件和试验，为产品设计者开发产品提供了快捷、高效又准确的各项产品性能和指标。

2.2 CFD仿真

CFD（Computational Fluid Dynamics）即指计算流体动力学，是流体力学和数值数学及计算机科学相关的交叉科学，也是目前产品设计里的一个热门研究领域，如今已经应用于汽车设计、医学生物、航空科技等方面。传统的设计流程从设计雏形到投入生产，往往需要大量的试验和成本用于开发试验，使得成本居高不下，而CFD仿真技术的出现，使得可以用虚拟数值分析的数据代替传统的产品验证，从而降低了产品的试验成本和研发周期。

2.3 人机工程学在产品设计中的仿真应用

人机工程学（Ergonomics），性质属于对人体特征研究的学科，也是一门对人、机、环境三者之间的相互作用进行研究的学科。产品设计除了考虑前面说的成本和开发周期等因素外，作为最终为产品使用的使用者而言，也要引入人机工程学技术到产品设计中去。通过产品虚拟仿真技术结合人体工程学，从而判断产品是否符合人体工程的要求。在传统设计方法中，只有产品的成品投入使用才能得到数据进行检验，不但费用成本高，而且设计周期长。而在利用了人机工程学的仿真技术中，设计者可以在产品设计的各个环节进行试验并不断检验目的成果。

3 仿真应用的领域

如今仿真技术已经得到了广泛的发展，人们已经把它运用到生活中的各个领域，比如：化工热能、汽车动能、智能机器、航空航天等。

3.1 单个领域方面

（1）同机械系统相关的仿真：主要有空气动力学仿真、多体动力学仿真、碰撞仿真、结构分析仿真等。这些仿真技术都是通过对设计产品的各项性能指标（如碰撞性、力学特性、可操作性）的仿真数值分析，从而检验设计，优化结果。

（2）控制系统仿真：是技术控制人员在开发产品控制系统时常用的。主要是通过简化被控的系统模型，来构建控制系统。

（3）电子系统仿真 ：虚拟仿真技术在电子系统中也得到了广泛的设计应用。最常见的是现在流行的电子仿真平台，它是采用电路语言来描述电路的电子结构和参数特性对电路进行虚拟，使得设计者能通过设置平台的参数进行仿真试验，并根据仿真数值结果来检验电路产品设计的可行性。因此，虚拟仿真技术在电子系统的应用不仅能够简化我们的电路设计过程，还能对电路设计的虚拟产品进行仿真运行，从而完成一系列的电子产品设计。

3.2 多领域方面

虚拟仿真技术在单个领域的应用主要偏重于电子、机械等单个领域，而在现代科技高速发展的今天，更多的是多个领域的应用，如像热能化工、航空航天、汽车等领域，在这些产品中需要整合不同领域的子系统，如：电子系统、控制系统、软件系统等，将各领域的子系统构建成一个整体进行虚拟仿真。

4 虚拟仿真的基本流程

4.1 三维数字建模

三维数字建模即是使用虚拟仿真的计算机软件，进行三维建模，将传统的工程或产品设计方案、草图等各种参数，构成可用于设计的后续处理成品所需的三维数字模型。常用的数字建模有下面几种方式：第一，在AutoCAD中绘制平面图，并将绘制图形导入三维软件中进行放样、拉伸等操作，从而由二位线生成三维体结构。第二，产品参数化设计，通过准确及全面的参数设置来构建实体。第三，构建拓扑参考图，先利用手绘或草图，然后导入到三维软件中来设置。第四，利用建模软件进行建模，如Polygon和Subdiv等，最后转换成产品设计成果。

4.2 设定色彩及材质表现

在产品设计中如何设定色彩，主要考虑以下方面：产品的原色、环境色、光源色等，这些都可以通过材质模块编辑进行仿真，如可利用材质的透明度、颜色、周边环境、折射等属性来模拟现实中的各种材质体现。还可添加不同的材质节点来虚拟毛皮、砂石等各种特殊材质，从而仿真体现各种材质。

4.3 动画仿真处理

在产品设计中也需要用虚拟仿真的手段用于动画仿真处理，主要有装配过程中的仿真。利用虚拟的三维软件可以制作动画模块，从而轻松实现仿真动画，这与静态图不同，比如：在动画中把产品组装的过程制作成关键帧，一直到最终渲染成动态视频，这样设计者就能通过浏览生成的视频文件校验该产品的结构和组装运行。

5 结语

通过虚拟仿真建模及运行，我们可以获得对产品的一个完整认识。但是作为产品设计者，我们还要考虑如何正确地评估产品，如何为仿真建模提供准确的反馈，这些都将是产品设计能否成功的重要依据。也就是说这些对我们以后如何快速、准确地进行仿真建模是一个挑战。虚拟仿真技术的引入，不仅改变了产品设计手段，更使得产品设计有了质的飞跃。

尽管目前虚拟仿真技术在产品设计中的应用已有丰硕的研究成果，也得到较为广泛的应用，但在今后的研究中我们还可以找到新的突破口，例如：可以开发出适合实际应用的仿真程序新插件，如文献介绍了利用VB. NET作为开发工具对AutoCAD进行了二次开发，实现了在AutoCAD环境下的三维零件实体虚拟拆装的动态仿真。该方法能够自动完成零件图的自动拆卸和装配过程的模拟，对于实际产品设计及相关过程有一定的示范作用。

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