計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展

2013-06-24  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

摘要:介紹了與計(jì)算機(jī)仿真相關(guān)的一些概念和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程,著重論述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真在制造領(lǐng)域的應(yīng)用與進(jìn)展?fàn)顩r,特別給出了當(dāng)前系統(tǒng)仿真研究熱點(diǎn)及它們對制造業(yè)的影響,最后指出了智能化、可視化、集成化、并行化和分布交互化將是未來仿真技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展方向。
    關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)仿真;制造業(yè);應(yīng)用;發(fā)展

    1 系統(tǒng)仿真類型介紹

“仿真”一詞譯自英語單詞“Simulation”,有時(shí)也譯作“模擬”,是“模仿真實(shí)世界”的意思。
在工程技術(shù)界,系統(tǒng)仿真是通過對系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn),去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。表1所列是系統(tǒng)仿真的仿真類型、模型類型、計(jì)算機(jī)類型和經(jīng)濟(jì)性。

表1 系統(tǒng)仿真分類表

由表1可見,計(jì)算機(jī)仿真已成為系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支,系統(tǒng)仿真很大程度上指的就是計(jì)算機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)工程的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。一方面,控制工程、系統(tǒng)工程的發(fā)展,促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用;另一方面,計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,又為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支撐。計(jì)算機(jī)仿真一直作為一種必不可少的工具,在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)開支、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要的作用。

    2 計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀

制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中一般都占有最大的比重,自70年代以來,全球性的市場競爭日益激烈,產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展,產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短,一些自動(dòng)化技術(shù)如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPⅡ及CIMS都得到快速發(fā)展。系統(tǒng)仿真作為一種重要手段,通?？梢詽B透到它們當(dāng)中去,并幫助它們實(shí)現(xiàn)集成,從而促進(jìn)了一些先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。在50年代,最引人注目的仿真領(lǐng)域是火炮控制和飛行控制系統(tǒng);60年代,是火箭和導(dǎo)彈控制系統(tǒng);70年代是航天、核能和經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng);到80年代,最引人注目的仿真領(lǐng)域就逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng),并且呈現(xiàn)出一種生機(jī)勃勃的局面。
從本質(zhì)上講,仿真技術(shù)就是建立仿真模型和對模型實(shí)驗(yàn)的一種技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真過程的實(shí)現(xiàn)一般都可由計(jì)算機(jī)高級語言、仿真語言和仿真軟件來完成(如圖1所示)。典型的仿真軟件有仿真環(huán)境、仿真語言和程序包3種形式,其功能覆蓋是不完全相同的。從下到上,大體反映了仿真軟件的發(fā)展過程。到80年代中后期,開始出現(xiàn)了一體化仿真環(huán)境?，F(xiàn)在,面向制造系統(tǒng)的仿真出現(xiàn)了一體化支撐軟件,實(shí)現(xiàn)了仿真建模、仿真運(yùn)行、輸出分析的集成環(huán)境,仿真監(jiān)控運(yùn)用了并發(fā)執(zhí)行機(jī)制,在數(shù)據(jù)庫管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果的統(tǒng)一管理,人工智能技術(shù)也應(yīng)用在仿真建模、仿真運(yùn)行和仿真結(jié)果的分析中。此外,廣義制造系統(tǒng)仿真器的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了對某類制造系統(tǒng)的非語言建模、模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等功能。這類典型的一體化仿真軟件有TESS,IBIS;廣義仿真器有AUTOMODⅡ,FATOR,GEMS,WITNESS等〔1〕。

圖1 典型仿真軟件的功能覆蓋

    3 計(jì)算機(jī)仿真的研究熱點(diǎn)及對制造業(yè)的影響

80年代以來,系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱、橫方向發(fā)展,在制造業(yè)方面,一個(gè)比較明顯的進(jìn)展就是“虛擬制造”。 根據(jù)虛擬制造的概念,整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種問題。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR——Virtual Reality)亦稱虛擬環(huán)境技術(shù)、靈境技術(shù),是一種最有效地模仿人在自然環(huán)境中的視、聽、動(dòng)等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。它是在綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多門科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它有2個(gè)基本特征,即“靈境感(Immersive)”和“交互感(Interactive)”。通過這2個(gè)基本特征,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能描述事物內(nèi)部及其相互間真實(shí)的作用和交互,使用戶仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中,從而拉近了用戶與環(huán)境之間的距離,改變了人機(jī)交流的方式〔2〕。利用VR技術(shù)的這些特性,可以對產(chǎn)品的各個(gè)階段提供支持,例如在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線,測試和裝配產(chǎn)品的零部件,客戶可以驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合要求等。
近年來,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)研究熱點(diǎn)——虛擬產(chǎn)品開發(fā)也是引人注目的。虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD——Virtual Product Development)首先源于并行工程(CE——Concurrent Engineer)思想。這種思想將現(xiàn)代先進(jìn)的組織形式跟現(xiàn)代的哲學(xué)、文化混合為一體,是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程(制造過程、使用過程和支持過程)進(jìn)行并行的、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化工作模式。CE能在產(chǎn)品開發(fā)一開始就考慮到投資、生產(chǎn)制造、裝配、銷售和維護(hù)以及報(bào)廢等產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的所有因素,這對解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的矛盾是非常有益的。VPD就是在CE方法論的指導(dǎo)下,把CAD、CS和大規(guī)模產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合起來,形成一個(gè)虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境,使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠在這種環(huán)境下策劃產(chǎn)品、設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的性能、特征以及真實(shí)工況下所具有的響應(yīng),從而減少反復(fù)和變更的次數(shù),減少甚至取消制作物理原型樣機(jī),如此就能很好地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì),有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和大量地節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。VPD仿真技術(shù)是仿真技術(shù)發(fā)展的又一重要領(lǐng)域,它能深入到各種復(fù)雜產(chǎn)品的制造中,能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
現(xiàn)在,仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開放復(fù)雜的大系統(tǒng)。當(dāng)仿真對象分布于廣闊的時(shí)空領(lǐng)域,仿真任務(wù)要求將不同地理位置、不同類型(包括人在內(nèi))的仿真對象構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時(shí),產(chǎn)生了分布交互化仿真(DIS——Districted Interactive Simulation)。這種仿真系統(tǒng)里包含有不同類型的實(shí)體—虛體、真實(shí)實(shí)體和構(gòu)造實(shí)體,這些實(shí)體可以基于不同目的系統(tǒng)、不同年代的技術(shù)、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成,并允許它們交互操作。DIS實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同地點(diǎn)的仿真設(shè)備連接起來,通過實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時(shí)空到合成仿真環(huán)境的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。在這種復(fù)雜的分布綜合的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí),必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應(yīng)的處理。美國是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國家,已經(jīng)完成了多項(xiàng)基于虛擬仿真的DIS工程項(xiàng)目,相關(guān)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成或正在完成。
在制造行業(yè),已經(jīng)產(chǎn)生了類似于DIS的虛擬研究開發(fā)中心或虛擬企業(yè)。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港城市大學(xué)共建的快速科技中心就是一個(gè)虛擬研究開發(fā)中心。此外,為了適應(yīng)快速變化的世界市場,克服單個(gè)企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需資源的局限性,出現(xiàn)了在一定時(shí)限內(nèi),為了某一市場機(jī)遇,通過網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)聯(lián)結(jié)的一種動(dòng)態(tài)聯(lián)盟——虛擬企業(yè)。
美國波音(BOEING)公司可以把777飛機(jī)的研制、生產(chǎn)做到幾乎“無圖紙”的程度。波音777飛機(jī)的研制、整機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、部件測試以及各種試飛,都是由計(jì)算機(jī)完成的。它能將開發(fā)周期從原來的8年縮短到5年,節(jié)約了數(shù)百萬美元經(jīng)費(fèi)。

    4 結(jié)束語

圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到終止使用的整個(gè)生命周期,再從決策者、設(shè)計(jì)師、制造商、銷售商和用戶等全方位地去觀察和研究產(chǎn)品,仿真技術(shù)已顯示出它強(qiáng)大的生命力和發(fā)展?jié)摿?。面?1世紀(jì),同其他領(lǐng)域一樣,制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)的仿真規(guī)模正在不斷地?cái)U(kuò)大,仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向發(fā)展。

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