虛擬制造產品性能管理論文

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隨著社會的進步和人民生活水平的日益提高,全球制造業之間的競爭越來越激烈。面對不可預測、持續發展、快速多變的市場需求,企業的生產活動必須具有高度的柔性、敏捷性。信息技術和計算機技術的飛速發展為制造業帶來了一系列變革,它們與傳統的制造技術相結合就產生了許多先進的制造技術。隨著虛擬現實技術在制造業的滲透,虛擬制造應運而生。

虛擬制造的本質是以計算機仿真技術為前提,對設計、制造等生產過程進行統一建模,在產品設計階段或產品制造之前,就能實時地并行地模擬產品的制造全過程及其對產品設計的影響,預測產品的性能、成本和可制造性,從而有助于更有效、更經濟靈活地組織生產制造,以達到產品的開發周期和成本的最優化、生產效率的最高化等目的。

1虛擬產品性能的分析

1.1產品的性能

通常所說的產品性能,實際上是指產品的功能和質量兩個方面。功能是構成競爭力的首要要素。用戶購買某個產品,首先是購買它的功能,也就是實現其所需要的某種行為的能力。質量是指產品能實現其功能的程度和在使用期內功能的保持性,我們把質量定義為“實現功能的程度和持久性的度量”,使它在設計中便于參數化和賦值。因為用戶對產品的要求是從性能出發的,是設計的起點和完成的標志,性能特征應當成為整個設計過程的基本特征,或者稱為由性能需求驅動的設計。而制造則是通過工藝特征實現功能特征和質量特征所依附的幾何特征和材料特征。產品開發研究如何從性能特征到幾何特征、材料特征和工藝特征的映射。對于一個性能上的需求,可以由多個結構、多種材料、不同的工藝來實現。性能分析就是用必要的方法去檢驗或驗證結構、材料和工藝是否實現了求解的性能及其實現的程度。在產品開發各階段,通過一定的準則和標準對產品進行全方位的、實時的性能分析,并及時將分析評價結果反饋給設計環節,使產品各性能在一定程度上得到協調優化,并根據產品綜合性能最優化原則選擇一個設計方案予以實施,使開發出來的產品達到用戶(設計者)所追求的最佳性能組合。

1.2虛擬制造中產品的性能

虛擬制造是產品從概念設計到投入使用的全過程在計算機上構造的虛擬環境中的“虛擬”實現,是產品開發的實驗床。其目標不僅是對產品的物質形態和制造過程進行模擬和可視化,而且是對產品的性能、行為和功能以及在產品實現的各個階段中的實施方案進行預測、評價和優化。開發符合用戶需求的全性能優化的產品是虛擬制造的根本任務之一。

虛擬制造“生產”的虛擬產品(VirtualProduct,VP),具有真實產品所必須具有的特征。通過對VP實時性功能的仿真,設計人員或用戶能夠像對待真實產品一樣移動、碰撞、使用VP,在生命周期的各個階段對VP性能進行各種實時分析,如有限元分析、人機工程分析、干涉分析、加工過程分析、裝配分析等。通過分析、修改,使產品達到整體性能優化。這能使用戶和制造商更快、更全面、更真實地了解想象中的產品。VP將成為最為流行的信息交流方式,完全交互式的VP正在替代銷售手冊、安裝手冊、甚至是維護手冊,使顧客和設計者在決定購買和制造之前能夠首先看到并了解產品的先進性

2虛擬產品全性能模型

當今機械產品功能日益增強,結構日益復雜,產品性能涉及多個領域。這使產品性能分析工作變得日益復雜。因此有必要建立產品全性能模型來描述產品性能及其產品各性能之間的關系,進行性能綜合分析評價。在虛擬產品開發中,用面向對象的方法構造具有層次結構的產品全性能樹,結合產品樹一起對產品性能進行分析。

2.1產品全性能樹

產品性能包括技術性能、經濟性能、實用性能和社會性能等四個主要方面。

技術性能產品技術性能包括產品可加工性、可裝配性、結構與工藝性等。

使用性能產品工作性能、產品質量、人機工程等。

經濟性能指產品上市時間,設計制造費用。

社會性能考慮使用產品時對人體健康的影響、對環境的污染、資源的利用,滿足綠色制造的要求。

2.2產品結構樹

為了滿足對產品全方位的分層次、分階段的性能分析的需要,設計者首先要確定產品的層次結構,按照產品系列、整機、零件、部件和特征等建立產品樹。

結構屬性層

對機械產品進行性能分析時,其對象可能是零件、部件、組件或整機。每個對象都有其上一級的結構所屬層。對于零件而言,其上一級結構所屬層即為該零件裝配所屬的部件。對部件而言,其上一級結構所屬層即為該部件裝配所屬的組件。這種所屬關系逐級向上,直到整機。整機的結構所屬層,即為該機的使用條件與環境。在進行性能分析時,首先應該清楚分析對象所處的結構層的位置,從而明確與分析對象相關的環境約束因素。

性能屬性層

性能屬性層主要反映設計對象在整個產品實現過程中的性能。要得到有競爭力的產品,設計對象在性能屬性層的因素至少應該包括如下一些方面:設計對象的功能性、制造工藝性、經濟性、資源利用率、人機適應性、使用安全性、質量可靠性、環境友好性、易于服務維修及回收利用等。傳統設計中,對于人機適應性、環境友好性、服務維修方便性以及可回收利用性往往沒有給予足夠重視,從而影響了產品的競爭力。產品全性能樹就是對產品性能的分類歸納總結,其目的是為了便于性能分析評價工作的進行。

結構屬性層與性能屬性層的關系

結構是性能的載體,性能是結構的反映。但是同一設計對象在整機結構層的位置并不一定完全對應于該對象在整機性能層的位置。一個具體對象在整機性能層中的位置,取決于它對整機性能的影響程度。而不是它在整機中的結構位置。

整機的某一特定性能可以由全部結構對象反映,也可以由某些結構對象反映。如汽車整機的經濟性是由所有組成件的經濟性來反映。而汽車的安全性卻并非與其所有組成件有關。

結構屬性層中,隸屬關系是下層屬于上層;而性能屬性層中,隸屬關系則是上層屬性取決于下層屬性。于較低結構層位置的零件,當其失效后,將引起其所有結構上層。如汽車制動系統中制動摩擦片這一位于較低結構層位置的零件,當其失效后,將引起所有結構上層(如制動系統、底盤)直至整機(整個汽車)在制動性能這一性能屬性的失效。

3總結

虛擬制造環境下的產品實際上是一種數字化模型,因此可以對它進行觀察、分析、通訊、及時更新,使大家在同一產品模型上對產品各方面的性能分析同時并發地進行。虛擬制造中產品性能分析是全方位的,內容十分廣泛。在此,結合虛擬制造環境下對產品性能分析的獨特的優越性,通過產品全性能樹和產品結構樹從不同的角度、在不同的層次上對產品性能進行全面的系統的分析。