随着社会的进步和人民生活水平的日益提高,全球制造业之间的竞争越来越激烈。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求,企业的生产活动必须具有高度的柔性、敏捷性。信息技术和计算机技术的飞速发展为制造业带来了一系列变革,它们与传统的制造技术相结合就产生了许多先进的制造技术。随着虚拟现实技术在制造业的渗透,虚拟制造应运而生。

虚拟制造的本质是以计算机仿真技术为前提,对设计、制造等生产过程进行统一建模,在产品设计阶段或产品制造之前,就能实时地并行地模拟产品的制造全过程及其对产品设计的影响,预测产品的性能、成本和可制造性,从而有助于更有效、更经济灵活地组织生产制造,以达到产品的开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化等目的。

1　虚拟产品性能的分析

1.1　产品的性能

通常所说的产品性能,实际上是指产品的功能和质量两个方面。功能是构成竞争力的首要要素。用户购买某个产品,首先是购买它的功能,也就是实现其所需要的某种行为的能力。质量是指产品能实现其功能的程度和在使用期内功能的保持性,我们把质量定义为“实现功能的程度和持久性的度量”,使它在设计中便于参数化和赋值。因为用户对产品的要求是从性能出发的,是设计的起点和完成的标志,性能特征应当成为整个设计过程的基本特征,或者称为由性能需求驱动的设计。而制造则是通过工艺特征实现功能特征和质量特征所依附的几何特征和材料特征。产品开发研究如何从性能特征到几何特征、材料特征和工艺特征的映射。对于一个性能上的需求,可以由多个结构、多种材料、不同的工艺来实现。性能分析就是用必要的方法去检验或验证结构、材料和工艺是否实现了求解的性能及其实现的程度。在产品开发各阶段,通过一定的准则和标准对产品进行全方位的、实时的性能分析,并及时将分析评价结果反馈给设计环节,使产品各性能在一定程度上得到协调优化,并根据产品综合性能最优化原则选择一个设计方案予以实施,使开发出来的产品达到用户(设计者)所追求的最佳性能组合。

1.2　虚拟制造中产品的性能

虚拟制造是产品从概念设计到投入使用的全过程在计算机上构造的虚拟环境中的“虚拟”实现,是产品开发的实验床。其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化,而且是对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。开发符合用户需求的全性能优化的产品是虚拟制造的根本任务之一。

虚拟制造“生产”的虚拟产品 (Virtual Product,ＶＰ),具有真实产品所必须具有的特征。通过对ＶＰ实时性功能的仿真,设计人员或用户能够像对待真实产品一样移动、碰撞、使用ＶＰ,在生命周期的各个阶段对ＶＰ性能进行各种实时分析,如有限元分析、人机工程分析、干涉分析、加工过程分析、装配分析等。通过分析、修改,使产品达到整体性能优化。这能使用户和制造商更快、更全面、更真实地了解想象中的产品。ＶＰ将成为最为流行的信息交流方式,完全交互式的ＶＰ正在替代销售手册、安装手册、甚至是维护手册,使顾客和设计者在决定购买和制造之前能够首先看到并了解产品的先进性

2　虚拟产品全性能模型

当今机械产品功能日益增强,结构日益复杂,产品性能涉及多个领域。这使产品性能分析工作变得日益复杂。因此有必要建立产品全性能模型来描述产品性能及其产品各性能之间的关系,进行性能综合分析评价。在虚拟产品开发中,用面向对象的方法构造具有层次结构的产品全性能树,结合产品树一起对产品性能进行分析。

2.1　产品全性能树

产品性能包括技术性能、经济性能、实用性能和社会性能等四个主要方面。

技术性能　产品技术性能包括产品可加工性、可装配性、结构与工艺性等。
使用性能　产品工作性能、产品质量、人机工程等。
经济性能　指产品上市时间,设计制造费用。
社会性能　考虑使用产品时对人体健康的影响、对环境的污染、资源的利用,满足绿色制造的要求。

2.2　产品结构树

为了满足对产品全方位的分层次、分阶段的性能分析的需要,设计者首先要确定产品的层次结构,按照产品系列、整机、零件、部件和特征等建立产品树。

结构属性层
对机械产品进行性能分析时,其对象可能是零件、部件、组件或整机。每个对象都有其上一级的结构所属层。对于零件而言,其上一级结构所属层即为该零件装配所属的部件。对部件而言,其上一级结构所属层即为该部件装配所属的组件。这种所属关系逐级向上,直到整机。整机的结构所属层,即为该机的使用条件与环境。在进行性能分析时,首先应该清楚分析对象所处的结构层的位置,从而明确与分析对象相关的环境约束因素。
性能属性层
性能属性层主要反映设计对象在整个产品实现过程中的性能。要得到有竞争力的产品,设计对象在性能属性层的因素至少应该包括如下一些方面 :设计对象的功能性、制造工艺性、经济性、资源利用率、人机适应性、使用安全性、质量可靠性、环境友好性、易于服务维修及回收利用等。传统设计中,对于人机适应性、环境友好性、服务维修方便性以及可回收利用性往往没有给予足够重视,从而影响了产品的竞争力。产品全性能树就是对产品性能的分类归纳总结,其目的是为了便于性能分析评价工作的进行。
结构属性层与性能属性层的关系
结构是性能的载体,性能是结构的反映。但是同一设计对象在整机结构层的位置并不一定完全对应于该对象在整机性能层的位置。一个具体对象在整机性能层中的位置,取决于它对整机性能的影响程度。而不是它在整机中的结构位置。
整机的某一特定性能可以由全部结构对象反映,也可以由某些结构对象反映。如汽车整机的经济性是由所有组成件的经济性来反映。而汽车的安全性却并非与其所有组成件有关。
结构属性层中,隶属关系是下层属于上层;而性能属性层中,隶属关系则是上层属性取决于下层属性。于较低结构层位置的零件,当其失效后,将引起其所有结构上层。如汽车制动系统中制动摩擦片这一位于较低结构层位置的零件,当其失效后,将引起所有结构上层 (如制动系统、底盘 )直至整机 (整个汽车 )在制动性能这一性能属性的失效。

3　总结

虚拟制造环境下的产品实际上是一种数字化模型,因此可以对它进行观察、分析、通讯、及时更新,使大家在同一产品模型上对产品各方面的性能分析同时并发地进行。虚拟制造中产品性能分析是全方位的,内容十分广泛。在此,结合虚拟制造环境下对产品性能分析的独特的优越性,通过产品全性能树和产品结构树从不同的角度、在不同的层次上对产品性能进行全面的系统的分析。

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