虚拟样机，数字化设计制造，产品全生命周期管理文献阅读报告
2015年 03 月 16日
1 虚拟样机
1.1 虚拟样机的定义
虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机(模型)的技术。在常规的产品开发过程中,物理样机模型是用来验证设计思想,选择设计产品,测试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替代物理样机,首先至少要具备上述功能。这样看来,虚拟样机应该可以用来测试产品的外形和行为,并且可以用来进行一系列的研究。另外,物理样机可以使人对一个产品有一种感观的评价,如颜色、外形、美学特性、触觉和舒适性等。要替代物理样机的这些特性,人和产品的交互应该包含在虚拟样机技术里。（定义：虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型,它可以像真实的物理模型一样,用来对所关心的产品的全寿命周期,如设计、制造、服务、循环利用等,进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。）
1.2虚拟样机的组成
一个虚拟样机应该至少包括以下3种类型的模型：一个三维实体模型、一个人产品的交互模型、与产品的测试相关的可视化模型。
虚拟样机技术的系统结构如图1所示。从图1可以看出,为了显示、分析和测试一个产品,建立了一系列相关的模型。用户接口作为一个核心的组成部分,通过它可以有效地控制模型,还可以从它那里得到系统的一些重要信息。对于一个具体的应用实例来说,由于具体的应用目的不同,其系统结构可能有一些区别。
1.3虚拟样机的优缺点
1.3.1优点: ①减少了设计费用。②可以辅助物理样机进行设计验证和测试。③可以减少产品开发过程中所需的时间,使产品尽快上市。④可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案,这是物理样机无法比拟的。⑤可以减少产品开发后期的设计更改,进而使得整个产品的开发周期最小化。⑥与常规的仿真相比,它涉及的设计领域广,考虑也比较周全,因而可以提高产品的质量。⑦由于虚拟样机技术支持并行设计,使得设计小组之间的沟通变得便捷。 1.3.2缺点：
①虚拟样机技术复杂应用难度大，例如复杂产品涉及的学科领域多，开发过程复杂，涉及团队、管理、技术诸多要素的集成和优化，涉及信息流、工作流、物流的集成和优化。②限制虚拟样机发展的因素，有些技术本身的不成熟，方法的不完善，限制了虚拟样机的发展。例如有限元方法是利用离散的简单图形去逼近实际的连续域，图像处理中的延迟时间、数值计算中得到的近似解，等等这些方法上的不精确，会影响最终结果的精确性。③虚拟样机无法完全取代物理样机，在复杂产品的开发中，虚拟样机技术能够为产品开发提供技术支持，但不能取代物理样机，而是应与物理样机相结合，虚拟样机的分析结果可以指导物理样机的制造，物理样机的试验数据可以指导虚拟样机模型的修改，两者相互结合可有效的缩短 开发周期，提高开发效率。
1.4结论
产品竞争的日益激烈，要求制造业在方法上进行革新，虚拟样机技术为制造技术的革新提供了新的设计方法，并已在制造业中发挥了不可忽视的作用，虚拟样机技术的优势使其日益受到机械领域的重视，虚拟样机技术的合理应用，将大大提高我国的制造水平。
2数字化设计制造
2.1数字化设计与制造的定义
数字化设计与制造是指利用数字化技术完成产品设计和制造的全过程,包括产品的三维(3D)设计、虚拟装配、仿真、虚拟制造、虚拟检测和通过数字化机床加工出实际产品。它是先进制造技术的核心技术。
2.2数字化设计制造的组成
数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。它们之间的关系见图1所示。
由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间具体关系见图2所示。
2.3应用
三维数字化设计制造主要包括三维数字化设计、维数字化工艺和三维数字化检测等。三维数字化设计指工程技术人员以三维模型为核心来完成产品设计过程中的各项工作!如零件设计、装配设计、工程分析等。以达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的、传统的产品设计是基于物理样机试验验证为主的产品设计方法。
二维和三维并行的设计制造模式向全三维的设计制造模式的转变，以数字量为主、以模拟量为辅的协调工作法（(或者模拟量为主、数字量为辅的协调工作法)向全 数字量传递的协调工作法的转变），真正并行和协同的实现。
2.4结论
先进的三维数字化设计制造技术己成为国外军工产品研制中不可或缺的手段，并推动了军工产品研制模式发生重大变革。国内军工企业也提出了全三维设计、三维到工艺、三维到设备的三步走战略。实施三维数字化设计制造不仅是用三维模型取代大量的二维三维转换，而是要通过设计与工艺协同以及大量的建模与仿真技术，达到大幅提升产品设计和工艺设计能力的目的。目前国内企业实施三维数字化设计制造技术过程中，有些企业把三维装配工艺仿真片而理解为三维装配工艺，有的企业过于强调三维模型下车间、强调三维工艺必须是以三维为主的工艺规程，没有认识到三维数字化设计制造技术带来的研制模式和研制流程的变革，以及三维数字化设计制造技术带来的从传统的以经验为主的设计模式向基于建模和仿真的科学设计模式的重大转变。
3产品全生命周期管理
3.1定义
代竞争不仅表现在终端的有形产品上,而且扩展到包括服务等各个领域,因而人们越来越关注产品设计、制造及服务等的各个方面,即产品全生命周期的各个阶段。产品全生命周期的内涵随着管理技术与开发技术的不断发展而不断扩展。目前国内外研究人员普遍认为,广义的产品全生命周期是指产品从市场需求分析、工程设计、制造装配、包装运输、营销、使用到报废的整个生命过程,是从产品整个生命周期内质量及可靠性、价值链等角度出发提出的,产品的生命周期框图见图1。
3.2组成
任何工业企业的产品生命周期都是由产品定义、产品生产和运作支持这三个基本的紧密交织在一起的生命周期组成。
(1) 产品定义生命周期
该阶段开始于最初的客户需求和产品概念, 结束于产品报废和现场服务支持, 产品定义作为企业知识财富, 定义产品是如何设计、制造、操作和服务等信息的。
(2) 产品生产生命周期
该阶段主要是发布产品, 包括与生产和销售产品相关的活动。ERP 系统是企业在该阶段的主要应用。该周期包括如何生产、制造、管理库存和运输, 其管理对象是物理意义上的产品。
(3) 运作支持生命周期
该阶段主要是对企业运作所需的基础设施、人力、财务和( 制造) 资源等进行统一监控和调配。
3.3PLM的作用
P LM 核心功能可为用户提供数据存储、获取和管理的功能。不同的用户使用不同的功能集合。这些功能包括：
(1) 数据存储
P LM 将通过建立一个单一的数据逻辑视图, 提供一种安全、透明、一致的数据存取机制, 而不论数据在物理上分布在什么地方。数据存储与管理将具备基本的数据检入/检出、发布管理、元数据管理和一致性维护等功能。 (2) 工作流管理
它可以使设计人员跟踪整个产品的开发过程, 包括设计活动、设计概念、设计思路和设计变更等, 将数据和信息发送给商业过程执行中相关的用户、组或角色, 支持业务流程的自动化。
(3) 结构管理
它支持产品配置和BOM 表的创建与管理, 并能跟踪产品配置的变化, 跟踪其版本和设计变形。同时, 产品配置管理也需要按照不同的领域需求生成专门的产品定义视图。
(4) 分类管理
它允许相似的或标准的零件、过程及其他设计信息, 按照公共的属性进行分组和检索, 提高数据的标准化程度, 支持设计的重用。
(5) 计划 管 理
通 过 项 目工 作 分 解结 构( WBS) , 定义项目所包含的活动和资源, 进行规划、跟踪和管理。
典型应用：(1) 变更管理
(2) 配置管理(3) 工作台(4) 文档管理(5) 项目管理(6) 产品协同(7) 产品构型
3.4发展趋势
目前， PLM 的研究正在从基本概念、体系扩展到面向企业生命周期整体解决方案的技术和实施方法上, 希望为企业提供支持产品全生命周期协同运作的支撑环境和功能、提供标准化的实现技术和实施方法。因此, 与整体解决方案相关的技术和应用,将成为 PLM近阶段的研究重点, 主要包括企业基础信息框架、统一产品模型、单一数据源、基于 Web的产品入口, 以及 PLM 标准与规范体系。P LM 是近几年在工业领域得到大力推广应用的 IT 技术之一, 也是增长最快的 IT 应用系统, 其技术和产品都取得了巨大的发展。然而, 实现产品生命周期管理是所有以产品为核心的制造企业的一个长期战略目标, 其内容和程度根据企业的具体需求可以不断地改变和提高。它不是一个通过一次性的投入就可以完成的项目。因此对于一个企业, 必须制定自己的产品生命周期管理战略和目标。与传统的工具软件相比, PLM 最复杂和最困难的一点在于实施。成功的 PLM 系统一定是技术、人员和管理方法的成功结合, 用户一定要注意根据自己的需求和公司未来的发展战略, 选择合适的 PLM 产品和技术。本文的目的就是希望通过对 PLM 基本概念的介绍, 使用户对 PLM 的定义、内涵、地位和作用, 及其基本的技术体系有一个正确的认识, 以辅助企业制定和实施其产品生命周期管理战略。 参考文献
[1] 李伯虎，柴旭东，等.复杂产品虚拟样机工程的研究与初步实践[J].系统仿真学报，2002，14 （3）：336-341.[2]姜士湖，闫相桢.虚拟样机技术及其在国内的应用前景[J].机械.2003，30（2）：4-7.[3]赵雯，王维平，等.虚拟样机一体化建模方法[J].系统仿真学报，2002，14（1）：100-103 [4]周祖德，李刚炎.数字制造的现状与发展[J] .中国机械工程,2002,13(6):531～533.[5]张伯鹏，数字化制造是先进制造技术的核心技术[J].制造业自动化,2000,22(2):1～5..[6]陈庄，刘飞,陈晓慧.基于绿色制造的产品多生命周期工程.中国机械工程, 1999, 10(2): 233～235 [7]迟晓英，宣国良.正确理解供应链与价值链的关系.工业工程与管理, 2000, 5(4): 29～32
