试析复杂产品设计的仿真现状与发展趋势

试析复杂产品设计的仿真现状与发展趋势

马帅

青岛金永康建筑工程有限公司 山东青岛 266000

摘要：现如今，我国社会很多领域在复杂产品设计中都尝试着应用仿真，这样不仅可以提高产品设计水平，而且进一步保证产品质量。基于此，本文首先介绍了在复杂产品设计中仿真的应用现状，然后分析了在复杂产品设计中仿真的应用方法，最后提出了复杂产品设计中的仿真发展趋势，以供大家参考和学习。

关键词：复杂产品设计；仿真；发展趋势

复杂系统往往涵盖多学科领域，比如：机械、液压以及控制等等，其所有子系统以及部件都很有可能是由学科领域的许多零部件构成。这些子系统与零部件彼此作用，构成有机的整体，将产品的功能以及外观充分展示箱，实现在各种环境以及人操作下的一些产品行为，以真正满足人们对于复杂产品各个方面的需求，包括外观以及功能等等。而仿真利用开发研究的系统模型，使人们掌握系统的行为，此系统是真实或者瞎想的，让人们在产品设计阶段就能从不同的角度、不同的层次分析产品行为，而且结合产品行为来完善设计。因为复杂产品具有较强的复杂性，很难开发，成本也比较高，所以要求在复杂产品设计中应用仿真，让企业可以迅速、高质量、低成本将自己生产的产品推出来。在原来的十几年发展中，伴随着计算机硬软件技术的高速发展，已经在复杂产品设计中普遍应用仿真。

一、在复杂产品设计中仿真的应用现状

（一）单领域仿真

1.在机械设计中应用仿真

就机械动力学仿真来讲，通常是人们用于对机械系统的加速度以及位移等要素之间的关系进行研究，而多体动力学仿真是指将机械系统建模成由许多刚体，利用对彼此之间的运动实施约束的关节连接成的系统^[1]。因为其建模的精度较高，在很多产品的机械设计中普遍应用，比如：汽车以及航空航天飞行器等等，其中，多体动力学仿真的代表性应用包括汽车可操作性以及乘坐舒适性仿真。对汽车安全性进行衡量的关键指标是碰撞性能。伴随着大规模并行计算机技术以及碰撞技术的迅速发展，汽车碰撞仿真已经逐渐实用化。德国宝马公司已运用交互式碰撞仿真环境SIM-VR，将三维虚拟环境中的交互式碰撞仿真提供给设计人员进行研究：转变汽车物理结构，再投入仿真，很快获得仿真结果，而且显示和分析结果。在汽车设计中也普遍应用计算流体力学。伴随着高性能大规模并行计算机技术以及计算流体力学建模技术的迅速发展，很多公司都已经运用仿真技术，比如：福特以及宝马等等，对刚设计的汽车实施外部空气声学以及空气动力学的研究。除此之外，计算流体力学也能在汽车内部流体的仿真中应用，比如：车厢内部制冷加热仿真，还有采暖、通风与空调单元仿真等等

在原来的机械设计中人们往往运用有限元方式来分析机械结构的应力和应变，其负载是以静态为主。在技术不断发展的背景下，已经将多体动力学仿真分析获得的动态负载在结构分析中运用。此将有限元分析与多体动力学仿真相结合的方法，即所谓的“耐疲劳性分析”。当前，在汽车结构以及铁路车辆转向架的设计中已经真正实现此方法的应用。

2.在控制系统设计中应用仿真

对控制系统进行开发时普遍应用控制系统仿真。先要构建受控系统模型，再建立控制系统，合理设计控制算法，最后利用仿真对被控系统的性能进行合理分析。控制工程师通常以简化的受控系统模型为依托来综合控制系统。在汽车设计过程中人们结合一些简化的汽车动力学模型，运用多种现代控制力理论，比如：自适应控制以及优化控制等等，正确设计汽车主动式悬架控制系统的所有控制算法，而且运用仿真来合理分析性能。

3.在电子系统设计中应用仿真

一般来说，复杂产品包括非常复杂的电子系统，仿真技术已经逐渐成为电子系统设计的有效方法。并且已经在数字系统的设计与仿真中普遍应用极高速集成电路硬件描述语言。此外，在一些复杂电子产品的电磁场仿真分析中也普遍应用电磁场仿真软件，比如：ANSOFT等等。

（二）多领域的协同仿真

当前，人们逐渐将软件以及机械等多领域的协同仿真在各种复杂产品的设计中应用，比如：作战系统以及航空航天系统等等。

1.福特以多领域协同仿真为依托开发汽车姿态控制系统

汽车姿态控制系统属于重要子系统^[2]。当前，福特公司已经集成整车多体动力学仿真以及汽车姿态控制系统仿真，利用机械控制的多领域协同仿真，开发汽车姿态控制系统。系统整车多体动力学仿真运用Adams软件，而前液压作动器、后液压作动器以及控制系统运用MATRIXx或者Xmath软件。

2.以协同仿真为依托开发YYY作战系统

YYY作战系统提出在每种环境条件下，利用传感器将敌方目标成功探测到后，根据显控台显示，而且将相关信息向指挥控制台传递。指挥控制台结合获得的自身信息以及目标信息，为指挥人员起到辅助决策的作用^[3]。指挥人员将作战命令下达后，武器本地控制台合理设置射击参数，最后向击中目标成功发射。YYY作战系统的开发提出在产品设计中应用仿真：就产品开发早期来讲，应用仿真来科学论证作战系统重要战技指标；就系统设计阶段来讲，应用仿真来设计各项作战流程；就详细设计阶段来讲，应用仿真来认真设计所有子系统。

二、在复杂产品设计中仿真的应用方法

（一）在复杂产品设计中支持仿真应用的有关工具

在复杂产品设计中应用仿真，有关人员所用的工具，通常包括多种类型，主要表现在以下几个方面：首先，仿真建模工具。将建模工具提供给有关人员，支持其获得制造以及使用等各个阶段的产品模型，还有环境模型。这时，仿真建模工具有很多，不只是传统的辅助设计工具，还有很多用于获得仿真模型的工具，比如：获得机械动力学模型的多体动力学仿真软件以及获得电子系统模型的电子系统仿真软件等等。其次，仿真运行工具。在仿真运行中投入仿真建模获取的仿真模型，其涵盖模型的验证以及校正。

（二）在复杂产品设计中应用是两个闭环的螺旋式上升过程

在产品设计初期，必须要结合设计任务确定各个阶段的产品行为指标，比如：制造阶段、使用阶段以及维护阶段等等^[4]。这些指标通常体现在不同人、不同环境的不断操作下产品的所有性能指标。比如：就YYY作战系统来看，在敌方目标以及海洋环境等各种环境条件下，不仅可以发现敌方目标，而且可以准确跟踪敌方目标。在产品设计中应用仿真，通常包括两个闭环，分别是内环和外环。其中，内环是由仿真建模以及仿真运行等等构成，而外环是由仿真建模以及仿真运行等组成。内环通常在模型的检验中运用，让仿真模型精确。利用仿真建模获取产品以及环境的模型后，就能将其正式投入到仿真运行中。在实际运行中，很有可能出现程序错误以及仿真置信度不足等情况，这时必须要返回仿真建模，在对相关的仿真模型进行调整后，再次投入到仿真运行中，这样反复循环，一直到仿真建模获取精确的模型^[5]。在内环循环完成后，就能进到外环。在该情况下，不管是环境模型还是人的模型，都已经非常精确，通常只要对产品模型作出适当的修改，就能投入到仿真运行中。

三、复杂产品设计中的仿真发展趋势

近年来，在社会不断发展和计算机技术日益进步的背景下，带动仿真技术高速发展，硬件和软件都明显提升。就硬件来讲，发展方向主要是数字仿真运算技术，比如：使用很对外围处理器和超小型机械，而大型的机械系统以及准备系统应用仿真模拟技术来不断完善部件与部件之间的联系以及运行^[6]。就软件来讲，其发展越来越人工智能化，与人工智能技术相结合，仿真技术越来越便捷与精准。在仿真技术的支撑下复杂产品设计迅速发展，先以虚拟制造的趋势不断发展。虚拟制造技术利用对产品的设计以及生产等等，是对机械加工制造全过程实施模拟与仿真技术的应用，以不断优化资源配置制度以及生产管理制度，大幅度缩短复杂产品设计实践，提升效率，减少生产成本，为企业带来更多的经济效益。比如：法国的一些飞机公司制定且运用虚拟制造设计方案只是运用一年，在这一年内完成喷气式飞机的制造以及研发等等环节，而且只试飞一次，便成功，之后正式投入运营。该例子表明可以运用仿真技术以及虚拟技术来模拟研究分析很多结构构件，而且迅速找到问题，迅速完善，进行三维实体的模拟，以更好地提升复杂产品设计效率。

结语：

总而言之，近些年，伴随着计算机硬软件技术的迅速发展，仿真既可以普遍在单领域设计中应用，比如，机械以及电子等等，又可以在多领域协同设计中应用，比如：机械以及控制等等。要想在复杂产品设计中全方位应用仿真，必须要深入研究有关技术，主要包括仿真建模技术以及仿真运行技术等等。利用研究有关技术，希望可以在复杂产品设计中全方位应用仿真，让有关人员在产品设计阶段就能获取产品制造以及使用等每个阶段、每种环节以及人的不同操作下的各种产品行为，确保符合产品的制造、使用、维护等等要求，得到科学合理规范的产品设计。

参考文献：

[1]唐宁.仿真在复杂产品设计中的应用及面临的挑战[J].明日风尚,2018(19):69.

[2]彭翔. 复杂产品设计中参数关联和等效简化方法及其应用[D].浙江大学,2014.

[3]褚学征. 复杂产品设计空间探索与协调分解方法研究[D].华中科技大学,2010.

[4]宋欣. 复杂产品设计知识模型构建及其重用方法研究[D].天津大学,2009.

[5]熊光楞,陈晓波,郭斌.复杂产品设计的仿真现状与发展趋势[J].计算机集成制造系统-CIMS,2002(09):673-677.

[6]陈晓波,熊光楞,柴旭东.仿真在复杂产品设计中的应用及面临的挑战[J].系统仿真学报,2002(08):1034-1039.