数字化仿真技术课件

数字化制造与仿真Digital manufacturing and simulation姓名：杨波学号：140710552数字化制造与仿真Digital manufacturinCONTENTS01The definition and connotation 目录01The connotation and development02Status and development02The classification and advantage03focus of studycore and supporting technology03The basic stepsDigital simulation technologyDigital manufacturing technology04 application value and development prospects04 Software descriptionCONTENTS01The definition and c1数字化制造技术Digital manufacturing technology1数字化制造技术Digital manufacturing 数字化时代来临的标志是信息技术的越来越普及，特别是在智能领域的应用越来越多。数字化技术是软件和智能技术的基础，是高科技公司赖以生存的核心技术。先进制造技术的应用，拓展了许多制造的新方法和新工艺。数字化技术和先进制造技术的结合，给中国的制造业带来巨大的冲击。数字化制造的术语性定义:数字化制造就是指在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。从数字化制造的术语性定义中，可以发现，数字化制造定义的内涵包括以下三方面:1)设计数字化。在虚拟环境中，可以实现装配过程仿真，数字预装配，CAM，以及结构分析、管路分析、强度分析等等;2)制造装备数字化。成套装备的集成，包括数字化创新设计、数字化工艺、数字化特种控制和数字化检测，主要应用的领域有:汽车制造装备、船舶制造装备、电子制造装备、军工制造装备、轻工制造装备等等;3)管理数字化。制造、工程、用户和供应商的集成。1.The definition and connotation of digital manufacturing 数字化时代来临的标志是信息技术的越来越普及，“数字化制造”代表所有基于3D模型的产品和工艺定义的、用于产品生命周期各个阶段的设计、仿真和实现技术的集合。按照产品的生命周期过程，数字化制造的内涵包括下面的内容：数字化制造在产品生命周期的创新和设计阶段，采用的是3D CAD实体造型和基于模型的产品定义MBD（MBDefinition），以及在3D模型和基于模型定义基础上的各类对产品自身性能的仿真技术；在产品生命周期的工艺设计阶段，采用的数字化技术是“数字制造（Digital Manufacturing）”即 制 造 过 程 管 理 Manufacturing Process Management，MPM，其中包括了基于3D模型的过程设计、各种工艺过程和装配的仿真、工厂或车间配置及流转的仿真、人体工程学的仿真等。数字化进程仍旧停留在计算机的虚拟环境之中。产品生命周期的制造阶段使用的数字化技术是“数字化工厂Digitalized Factory”。数字化工厂将来自数字制造的产品的3D数字模型定义和经过仿真优化的制造过程，以MBI的形式发布给制造作业的各类操作者。在制造作业中，操作者也用数字化的手段和装置向上层业务过程反馈数字化的作业状态信息。“数字化制造”代表所有基于3D模型的产品和工艺定义的、用于产数字化工厂是从虚拟环境中接收和反馈3D制造信息的现实工厂数字化工厂是从虚拟环境中接收和反馈3D制造信息的现实工厂l产品生命周期的维修阶段，采用“数字化支持维修Digitalized Sustainment”，它的内容与数字化工厂相近。在产品和工艺开发过程创建的模型和模拟直接在整个产品生命周期的各个阶段使用，给用户和支持维护人员提供不断向下游传递的3D模型和数据。企业价值链成员将使用真实世界的效果和维护/维修/故障数据来评估产品和工艺的集成作业环境，反馈给产品设计，进行产品设计的改进。维护和支持阶段应用的数字化技术有：基于模型的产品监控Model-Based Monitoring of Product；基 于 模 型 的 维 护 Model-Based Maintenance；基于模型的用户和维修人员的培训Model-Based Training等。在产品生命周期不同阶段使用的数字技术和系统产品生命周期的维修阶段，采用“数字化支持维修Digital 至今 90年代 80年代 60,70年代80年代末期到现在，出现了在机械、航空航天、汽车、造船等领域 广 泛 应 用 的CAD/CAM一体化三 维 软 件 如CATIA,IDEAS,Por/E,MASTERCAM,等。发展起来的RP(快速成型技术)，可以对产品进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了开发产品的时间。出现了CIMS(计算机集成制造系统)，使波音公司的飞机在设计、制造和管理的时间由原先的八年缩短到三年。CAD软件(二维绘图和三维造型)的出现和FMS(柔性化制造系统)系统的出现，以 及CAD/CAM系统的发展。19世纪50年代美国MIT发明了NC机床和CAM处理系统APT系统，K&T公司研制成功了带ATC的加工中心和UT公司研制成功了带自动换刀方式的世界上第一台加工中心。2.Status and development of digital manufacturing technology 至今 由于支撑数字化制造技术的软硬件主要来源于美国、欧洲和日本，国内在数字化制造技术的应用非常有限，目前还处于转型期，大部分企业已经实现了产品的数字化设计(2D、3D产品设计)和车间现场的数字化生产(数控机床、机器人等)，对于承上启下的工艺部门的数字化工作，部分企业已经开始实施，但还远不如数字化设计那么深入。主要局限于汽车制造和飞机制造等极少数领域。由于虚拟样机技术的主要研究者是高等学校，因此它与工程实际还有很大的差距，而造成今天这种局面的主要原因是国外对其核心技术和关键技术的技术垄断，我国很难通过技术转让直接获取，而能够成为真正数字化工厂的又少之又少。近些年，国内不断涌现出这类技术型的企业，如华为、海尔、美的、中兴等等。只有掌握核心技术的企业，才能在未来的数字化制造领域占领一席之地。目前中国制造企业应用数字化制造的难点或困惑1.支撑的软件系统的成本问题。低附加值行业如果通过数字化提高效益100倍，但绝对值抵不过花的钱，这种推广，需要培育和发展自主版权的数字化制造的支持软件。2.基础数据。多数企业过去忙于生产交付，严重的忽视了对基础数据的积累和标准化的工作。每一个制造企业必须将基础数据的标准化、规范化、成组化做好。由于支撑数字化制造技术的软硬件主要来源于美国、欧洲和日本，国 数字化制造技术的研究方面很多(包括:设计、控制、加工、装配、检测、工厂及管理等多方面的内容)。同时，基于数字化技术的特点(包括:可变性、离散性、可视性、可控性和共享性等)，从而出现了新的现代设计方法、加工工艺技术和卓越的管理模式。3.The focus of study and core and supporting technology 数字化制造技术的研究方面很多(包括:设数字化制造技术的核心技术是建模与仿真。包括产品的建模仿真、工艺过程的建模仿真，以及生产系统的建模仿真。数字化制造的支撑技术1.数字化设计技术 基于知识的工程(Knowledge-BasedEngineering,KBE)技术，包括知识建模、知识表示和推理、知识获取和繁衍、知识集成等内容。2.数字化加工技术 当今数字化加工的重要发展趋势是高速加工技术和智能加工技术。3.数字化分析技术 CAE(Computer Aided Engineering)技术己经能在很多领域解决数字化样机的验证问题，真正提升了设计人员的工程分析能力，优化了制造工艺，提高了产品质量。4.数字化制造中的资源管理 ERP和PDM(产品数据管理库)系统的集成将促进不同功能的协调，有利于促进设计、生产、采购和销售等部门间的交流。数字化制造技术的核心技术是建模与仿真。4.The application value and development prospects 数字化制造技术的应用方向 1)加强数字化管理技术的应用。企业在不增加设备和人力资源，不改变工艺生产过程，只是通过数字化管理技术的应用，从而提高效益，保证质量和节约成本。2)加强数字化设计技术。从概念设计之初就引入数字化设计技术，实现产品的创新，而在设计阶段进行优化设计，就可以保证产品的性能及可制造性，真正达到仿真技术与实验验证的结合。3)重点解决数字化加工的问题。我国一些企业引进了一些先进制造设备，但是遇到许多瓶颈(如:数字化加工路线规划，数字化加工参数优化，数字化检测规划等)，而使机器不能发挥功效，造成高速当低速用，五轴当三轴用等问题。数字化制造技术的应用价值 1)填平了人的思维与工程表达之间鸿沟。2D产品定义的数据链存在着人力物力的巨大的浪费。制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。3D产品定义和直接使用3D数据传递，消除了人的思维的变换和由此造成的一切不清晰和失误，压低了几乎所有作业人员的学习曲线。数字化制造成为精益制造近期革命性的进展。2)数字化制造对支撑创新和创造有重要作用。在计算机的虚拟世界中将产品和工艺设计中可能发生的错误和决策失误提前揭露和消灭。比起在现实的物质世界中验证效果，会大大地节省时间、资源和金钱。对加快创新产品的研制速度、推向市场的时间起着关键的作用。4.The application value and del数字化制造技术未来的发展前景l数字线digital threadl在企业或供应链中，无论在何处的数据生产者和数据消费者，在制造过程的任何点上，都将连接到一个共同的数字的数据源上。数据标准将从设计阶段开始,延伸到制造、继而到最后装配。这种环境就是下面的基于模型的企业MBE。l基于模型的企业MBEl是一种制造实体，它采用建模与仿真技术对其设计、制造、产品支持的全部技术的和业务的流程进行彻底的改进、无缝的集成以及战略的管理；利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，在产品生命周期的每一步做出最佳决策，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。术语“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现。它的进展代表了数字化制造的未来。数字化制造技术未来的发展前景MBE描绘了未来的数字化制造企业的愿景MBE描绘了未来的数字化制造企业的愿景 类似于互联网技术和计算机技术改变人们的生活方式一样，数字化制造技术必然会从根本上改变制造业企业的生产方式。尤其是中国要由“制造”转向“创造”，由“低劳动力成本、低附加值产品、以牺牲环境为代价”转向“提高人们生活水平、高附加值产品、绿色制造”，一定要依靠先进的数字化技术才能得以实现。类似于互联网技术和计算机技术改变人们的生活方式2数字化仿真技术Digital simulation technology2数字化仿真技术Digital simulation tec 以以多多种种学学科科和和理理论论为为基基础础，以以计计算算机机及及其其相相应应的的软软件件为为工工具具，通通过过虚虚拟拟试试验验的的方方法法来来分分析析和和解解决决问问题题的的一一门门综综合合性性技技术术。仿仿真真可可以以再再现现系系统统的的状状态态、动动态态行行为为及及其其性性能能特特征征，用用于于分分析析系系统统培培配配置置是是否否合合理理、性性能能十十分分满满足足要要求求，预预测测系系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。仿真技术已经广泛应用于大中型离散制造业，涵盖国防、武器装备、航空航天等军工集团及其下属科研机构及企业；另外还包括汽车及交通运输行业、民用船舶、轨道交通和摩托车等领域；以及计算机、通讯、医疗电子、消费电子、半导体、家用电器、集成电路；工程机械、重型装备、模具、电机等领域。石油石化、医疗器械、建筑工程、能源电力、钢铁、气象、包装等行业的大型企业也开始尝试仿真技术的应用。1.Connotation and development of digital simulation technology 1.Connotation and de数字化仿真技术课件 国内仿真技术的现状 中国仿真技术应用的两极分化明显，广大的中小型企业在仿真技术应用水平上与大型企业有很大差距。企业缺乏仿真技术应用的人才梯队。多数企业仿真技术应用的成熟度还比较低，缺乏仿真流程规范、材料数据库，只是独立应用各个学科的仿真技术；仿真技术应用与产品设计和试验部门脱节，还只能将仿真技术作为一种验证手段。中国仿真技术的市场潜力巨大，但还需要长期培育。国内仿真技术的现状分类 仿真模型的不同：物理仿真、数学仿真和物理仿真模型的不同：物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真。数学仿真。物理仿真对实际存在的模型进行试验，研究系统的性能物理仿真对实际存在的模型进行试验，研究系统的性能数学仿真用数学模型代替实际系统进行试验研究数学仿真用数学模型代替实际系统进行试验研究物理物理-数学仿真。数学仿真。系统状态变化：连续系统和离散系统系统状态变化：连续系统和离散系统连续系统指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电连续系统指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电力、液压力、液压-气动、铣削加工等。气动、铣削加工等。离散事件系统指只在离散的时间点上发生离散事件系统指只在离散的时间点上发生“事件事件”时，时，系统状态才发生变化的系统。系统状态才发生变化的系统。应用性质不同：系统研制和系统应用。应用性质不同：系统研制和系统应用。系统研制：用于系统分析、设计、制造、装配、检测及系统研制：用于系统分析、设计、制造、装配、检测及优化优化系统应用：用于系统操作及管理人员培训系统应用：用于系统操作及管理人员培训2.The classification and advantage分类2.The classification and adv优势高质量的创新产品研发缩短产品开发周期及上市时间节约产品研发和售后维护费用完成复杂产品的操作和使用训练优势3.The basic steps of digital simulation technologyl系统建模 数学建模：根据仿真目标建立的数学模型（相似度和精度）演绎法归纳法 仿真建模：采用仿真软件中的仿真算法或通过程序语言，将系统的数学模型转化为计算机能够接受的技术程序。实际系统 几何建模 数学建模 仿真建模 仿真试验 仿真结果3.The basic steps of digital sl仿真试验 运行仿真程序、进行仿真研究的过程，即对建立的仿真模型进行数值试验和求解的过程研究对象：已有或设计中的系统数学模型：系统的几何及数学模型仿真模型：仿真算法及程序数学建模仿真试验仿真建模l仿真结果分析 采用图形化技术，通过图形、图表、动画等形式显示被仿真对象的各种状态，使得仿真数据更加直观、丰富和详尽，有利于对仿真结果的分析。仿真技术中包括主观方法、抽象化、直观感受和设想，因此必须对仿真结果做全面的分析。仿真试验研究对象：数学模型：仿真模型：数学建模仿真试验仿真建 4.Software descriptionMATLAB美 国 MathWorks,Inc控制系统仿真语言及系统MSC.Nastran美国MSC.Software Corp.结构、机械系统动力学仿真软件ANSYS美国ANSYS,INC结构、热、电磁、流体、声学等仿真软件COSMOS美国solidworks Corp.机械机构、流体及运动仿真软件PAM-SAFE法国ESI Group汽车被动安全性仿真软件 4.Software descriptionMATLAB美有限元法l基本概念 有限元（Finite Element Method,FEM)是一种基于计算机的数值仿真技术。基本思想：将形状复杂的连续体离散化为有限个单元组成的有效组合体，单元之间通过有限个结点相互连接；根据精度要求，用有限个参数来描述单元的力学或其他特性，连续体的特性就是全部单元体特性的叠加；根据单元之间的协调条件，建立方程组，联立求解就可以得到所求的参数特征。有限元法基本概念有限元分析软件的基本模块 l基本功能 静力学分析 动力学 热力学 电磁场和电流分析 流体计算 声场与波的传播计算有限元分析软件的基本模块 基本功能有限元分析软件的基本模块 l有限元软件的核心模块 前置处理构造几何模型，划分有限元网格，节点及节点编号，设置载荷、材料和边界条件等 有限元分析进行单元分析和整体分析，如求解位移、应力等。一般，软件提供各种有限单元库、材料库及算法库，并根据对象的物理、力学和数学特性，将问题分解成若干个子问题，由不同的有限元子系统分别完成计算。后置处理对于计算结果的整体、分析、编辑和输出。有限元分析软件的基本模块 有限元软件的核心模块有限元分析软件的基本模块 l有限元软件的关键技术 仿真分析能力单元库和材料库的丰富和完善程度。计算效率和技术精度解法库。集成性有限元分析软件的基本模块 有限元软件的关键技术产品优化设计技术 l优化设计及其发展 优化是问题寻优的过程。存在一个优化目标有多个可供选择的方案 现代优化技术包括优化设计、优化试验和优化控制。产品优化设计是优化设计的一个分支，将数学规划技术、计算技术和机械设计结合，按照一定的逻辑格式优选各种因素影响和制约的设计方案，以确定最佳方案，使所涉及的产品最优。产品优化设计技术 优化设计及其发展优化设计的步骤l确定设计要求及规模 优化目标主要取决于问题的要求和性质，同时还与系统规律的认识程度、设计者的经验及所采取的优化方法等因素有关。l分析优化对象 分析设计对象，建立数学模型l选择合适的优化方法 根据优化模型的规模和类型选择优化方法优化设计的步骤确定设计要求及规模虚拟样机技术l虚拟样机（Virtual Prototype)机械系统动态仿真技术，以产品的数字化模型为基础，在计算机中对模型的各种动态性能进行分析、测试和评估，并根据分析结果改进设计方案，从而达到以虚拟产品模型代替传统的实物样机试验的目的 涉及技术：产品三维建模技术、传感器技术、显示技术、有限元分析技术、机电液控制技术、优化技术、系统运动学和动力学分析理论等。虚拟样机技术虚拟样机（Virtual Prototype)虚拟样机软件l虚拟样机软件包含的功能 运动学和动力学基本理论及算法 产品造型与显示技术 有限元分析技术 软件编程及接口技术 控制系统设计及分析技术 优化分析技术虚拟样机软件虚拟样机软件包含的功能虚拟样机软件l虚拟样机软件ADAMS 核心模块：用户界面（view)，求解器（solver）和后处理（PostProcessor）功能扩展模块：试验设计与分析，振动分析，耐用性分析，液压系统，高速动画，系统模态分析，数字化装配回放 专业模块：轿车模块，概念化悬架模块，动力传动系统模块，驾驶员模块，经验动力学模型，柔性体生成器模块，轮胎模块，配气机构模块，铁道模块 工具箱：虚拟试验工具箱，钢板弹簧工具箱，软件开发工具包，履带/轮胎式车辆工具箱，模态应力恢复与疲劳工具包，齿轮传动工具箱，飞机起落架工具箱 接口模块：Pro/e接口，图形接口模块，CATIA专业接口模块，控制模块，柔性分析模块虚拟样机软件虚拟样机软件ADAMS