虚拟制造技术为设计者提供一个设计产品和评估可制造性的环境，在绿色制造中应用虚拟制造技术，能够缩短制造周期，降低生产成本。分析虚拟制造在绿色制造中的应用，探讨产品加工工艺、制造、装配、拆卸等环节的模拟仿真。
日趋严格的环境与资源约束，使绿色制造显得越来越重要，绿色制造将成为21世纪制造业必须遵循的基本原则和发展趋势。绿色制造是一种制造哲理和思想，它是社会持续发展思想在制造领域的具体化。
在绿色产品的开发、制造中，有些问题是难以预测的，如果绿色产品设计存在潜在的问题，等到产品实际生产、使用或报废处理时才发现，会造成比较大的浪费及延长产品开发周期。虚拟绿色制造可有效解决上述问题。虚拟制造技术为设计者提供了一个设计产品和评估可制造性的环境，产品设计中的潜在问题（性能、成本、制造、装配等问题），可及早被发现，同时产品的一些指标也能被预测，虚拟制造技术可为产品制造者提供较理想的产品加工工艺路线和产品装配方案。
1 绿色制造的涵义
绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的先进制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，资源效率最高。
绿色制造是用绿色材料、绿色能源，经过绿色的生产过程（绿色设计、绿色工艺技术、绿色生产设备、绿色包装、绿色管理等）生产出绿色产品。
2 虚拟制造在绿色制造中的应用
虚拟制造可完成产品的绿色设计；可实现产品加工过程、工作过程、装配过程、拆卸过程、回收处理过程的仿真；可评估产品的功能性、经济性、全生命周期内对环境的影响程度，以及评价能源和资源利用率，为设计人员提供产品设计改进的依据；可提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能；可提高工艺规划和加工过程的合理性，优化制造质量；通过生产计划的仿真，可以优化资源配置和物流管理，实现柔性制造和敏捷制造，缩短制造周期，降低生产成本。虚拟制造在绿色制造中的应用见下图。
2.1 绿色材料的模拟仿真
要实施绿色制造首先要实现绿色材料设计。材料微观模拟与设计将对材料制备工艺中微观过程、原子（分子）生长动力学等进行模拟，从而实现新材料成份—工艺—结构—性能优化设计。材料建模和模拟用来帮助理解和分析材料的结构、性质和加工工艺。可以模拟材料的弹性、塑性、应力、应变、开裂等特性；模拟材料从弹性、弹塑性到破坏、发生、发展的全过程；材料微观组织结构的虚拟失效分析；可以进行液态金属精炼过程的计算机模拟、铸造工艺的计算机模拟、材料凝固过程微观组织模拟、热轧带钢组织性能预报、奥氏体—铁素体转变的计算机模拟和塑性成形工艺模拟。目前正向多场模拟（如耦合织构、位错、相变、损伤、修复、复合材料分析等）和多尺度模拟（宏观—传统有限元法模拟，微观—分子动力学模拟）方向发展。
2.2 热加工工艺模拟
应用计算机工艺模拟技术可进行多项数值模拟、物理状态模拟与工艺过程模拟，并与工艺专家软件系统相结合，选择最佳的工艺参数（如温度、时间等），并且对工艺过程中可能产生的缺陷采取相应的对策，有效地减少了试验费用、作业时间，并节约能源，保证加工质量，最大限度地控制和预防污染。
数值模拟是热加工工艺模拟最重要的方法。
1）三维造型。将模拟对象（铸件、锻件、焊接结构件等）的几何形状及尺寸以数字化方式输入，成为模拟软件可以识别的格式。
2）宏观模拟仿真。目的是模拟热加工过程中材料形状、轮廓、尺寸及宏观缺陷（变形、残缺、皱折、缩孔、缩松、气孔、夹渣等）的演化过程及最终结果。为达到上述目的，需建立并求解一些物理场、温度场、应力、应变场、流动场的数理方程。
3）微观组织及缺陷的模拟仿真。目的是模拟热加工过程中材料微观组织（枝晶生长、共晶生长、粒状晶等轴晶的转变、晶粒度大小、相转变等）及微观尺度的缺陷（混晶、偏析等）的演变过程及结果。
2.3 产品的结构及外形设计
在计算机上（虚拟环境）建立产品数字模型，即虚拟样机，并在计算机上对这一产品模型的设计结构合理性、可装配性、可制造性及功能等进行评审、修改。采用虚拟技术的外形设计，可随时修改、评测。方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，如汽车车形创新概念设计、飞机外形设计。在复杂产品的布局设计中，通过虚拟技术可以直观地进行设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题。还可用于广告和宣传，用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等。
2.4 产品的可加工性仿真
可加工性（包括铸造、锻造、冲压、焊接、切削、特种加工等）主要判断零部件是否可以加工、加工的难易程度及设计、加工的合理性。对产品的可加工性和工艺规程的合理性进行评估。可加工性分析包括性能分析、费用估计、工时估计、工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化与选择、控制代码优化、虚拟加工中的碰撞干涉检验、运动轨迹检验等。
2.5 虚拟加工
对产品整个加工过程的仿真模拟，包括对工件几何参数、刀位轨迹验证、刀具的干涉进行校验的几何仿真过程；对加工过程中各项物理参数（主要有切削力、刀具磨损、切削振动、切削温度、工件表面粗糙度等）进行预测与分析的物理仿真过程；对产品的运动学与动力学仿真，在产品设计阶段就能动态表现产品的性能。产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。例如，生产线上各个环节的动作协调和配合是比较复杂的，采用仿真技术，可以直观地进行配置和设计，保证工作的协调。
2.6 虚拟装配
它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。机械产品的配合性和可装配性是设计时容易出现错误的地方，过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进行各种装配实验研究，许多不合理的设计和错误的设计，只能等到制造和装配时，甚至到样机试验时才能发现，导致零件的报废和延误工期。虚拟装配采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配。虚拟装配的第一步是在CAD系统创建虚拟产品模型，然后进入并利用虚拟装配设计环境进行试验、仿真和分析。虚拟装配是根据产品设计的形状特征、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验和评估产品的可装配性，优化装配过程。提高一次试制成功率，从而节约时间，降低成本。
2.7 虚拟拆卸
可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一，它要求在产品设计阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸，因而维护方便。并可在产品报废后有效地回收和重用，以达到节约资源、能源和保护环境的目的。产品能否方便拆卸直接影响到产品的可回收性。
虚拟拆卸允许设计者在一个虚拟环境中评估产品的可拆卸性。基于零部件三维实体模型，自动推理与交互操作相结合，规划与验证拆卸工艺（主要包拆卸顺序和路径），进而根据装、拆过程互逆的假定得到装配工艺，并以动画方式展示产品的装、拆工艺过程。并可对回收过程、回收处理结构工艺性进行仿真。
2.8 虚拟企业的可合作性仿真与优化
绿色虚拟企业是一种综合考虑市场机遇、环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是及时抓住市场机遇、敏捷快速生产出新的绿色产品，使各盟员企业共同赢利，并通过绿色设计、绿色材料、绿色工艺、绿色生产、绿色包装和绿色回收等技术手段，使得绿色虚拟企业的整个生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高。
虚拟制造系统可以为虚拟企业提供可合作性的分析支持，为合作伙伴提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境。虚拟制造系统可以将异地的、各具优势的研究开发力量，通过网络和视像系统联系起来，进行异地开发，网上讨论。从用户订货、产品的创意、设计、零部件生产、总成装配、销售以至售后服务这一全过程中各个环节都可以进行仿真，为虚拟企业动态组合提供支持。
2.9 模拟绿色包装
包装结构造型和美化装饰设计如同产品外形设计一样，可在虚拟环境中设计、修改。可评定包装设计的合理性、实用性、美观性。目前已开发出一些虚拟包装图制作软件，Box Shot 3D就是一个简单易用的虚拟包装图的制作工具。
2.10 虚拟人机工程学设计
也称虚拟人机工程学环境，设计人员可以精确研究产品的人机工程学参数，并且在必要时可以修改虚拟部件的位置，重新设计整个产品的结构。另外，它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进行交互及评价产品的性能，有助于满足不同用户的特殊要求。充分利用人机工程学的原理，使产品在使用过程中舒适、省力、方便，保证使用过程的安全、无污染。
3 结束语
虚拟制造和绿色制造都属于先进制造技术的范畴。各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，绿色制造将成为先进制造技术的重要特征。先进制造技术应该充分体现绿色制造。由于虚拟制造基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，产品的设计、开发和实现过程都是在计算机上完成的，显然虚拟制造为绿色制造提供了一种实现手段。
