虛擬仿真在產品設計中的應用研究綜述

羅競

（綿陽廣播電視大學，四川 綿陽 621000）

現在工業產品市場競爭越發激烈，市場對產品價格、外觀和更新的要求更加嚴苛。原有的工業產品設計方法存在著成本高、設計周期長、修改麻煩等問題，已不能順滿足需要。而運用數字虛擬仿真技術的工業設計，是用以三維數字仿真模型作為設計構思的基礎，來正確體現產品設計者的創意。

作為產品設計者我們要想讓仿真技術得以應用，就要做到以下幾點：①虛擬仿真要有一定的可信度，這樣結果才能有可信數據，得以引用。②仿真結果能夠在一定合理的時間限度里獲得。③有真實的建模/仿真工具配合，讓產品設計者能夠運用仿真模型，運用虛擬仿真并得到結果。本文查閱了近10年的有關虛擬仿真在產品設計中應用的相關研究論文，從虛擬仿真的技術優勢、虛擬仿真研究的熱門領域等方面對虛擬仿真在產品設計中的應用研究現狀進行分析和歸納整理，論述常規方法和基本概念，并試圖探究新的突破作為未來的研究方向。

1 虛擬仿真在產品設計中的技術優勢

即為什么要研究虛擬仿真在產品設計中的應用。在傳統的產品設計流程中，總是設計簡單的模型及公式，由此設計產品的結構和各種參數，以為局限和預留誤差等原因，結果導致數據不準確，從而影響設計效果。而虛擬數字仿真技術完全可以模擬產品設計流程的實際情況，這樣我們如果在產品設計初級就引入這種虛擬仿真手段，就能全方位解析產品的結構、電磁力及散熱等數據，從而使產品設計的各種參數指標達到最優值。

在產品設計中，利用數字化虛擬手段來呈現真實的效果，這個過程就叫做引入數字虛擬仿真。數字虛擬仿真大體包括：產品形態仿真、顏色材質仿真、機械動作仿真、人體工學仿真、工藝制作仿真等。在整個設計各階段引入虛擬數字仿真技術進行科學的試驗，從而可以得到更科學和客觀的結果。因此，與傳統設計方法相比，虛擬仿真技術不斷從設計方法、設計步驟、設計效率及質量各方面進行了突破。

2 虛擬仿真研究的熱門領域

2.1 CAE仿真

CAE（Computer Aided Engineering）即是指產品設計中的計算機輔助工程，用虛擬仿真的技術來分析復雜工程和產品的結構力學及優化性能等，把產品設計的各個環節組織起來，將關鍵的信息收集起來，而運用到實際產品設計問題的解決中。CAE技術的引入大量代替了傳統的試件和試驗，為產品設計者開發產品提供了快捷、高效又準確的各項產品性能和指標。

2.2 CFD仿真

CFD（Computational Fluid Dynamics）即指計算流體動力學，是流體力學和數值數學及計算機科學相關的交叉科學，也是目前產品設計里的一個熱門研究領域，如今已經應用于汽車設計、醫學生物、航空科技等方面。傳統的設計流程從設計雛形到投入生產，往往需要大量的試驗和成本用于開發試驗，使得成本居高不下，而CFD仿真技術的出現，使得可以用虛擬數值分析的數據代替傳統的產品驗證，從而降低了產品的試驗成本和研發周期。

2.3 人機工程學在產品設計中的仿真應用

人機工程學（Ergonomics），性質屬于對人體特征研究的學科，也是一門對人、機、環境三者之間的相互作用進行研究的學科。產品設計除了考慮前面說的成本和開發周期等因素外，作為最終為產品使用的使用者而言，也要引入人機工程學技術到產品設計中去。通過產品虛擬仿真技術結合人體工程學，從而判斷產品是否符合人體工程的要求。在傳統設計方法中，只有產品的成品投入使用才能得到數據進行檢驗，不但費用成本高，而且設計周期長。而在利用了人機工程學的仿真技術中，設計者可以在產品設計的各個環節進行試驗并不斷檢驗目的成果。

3 仿真應用的領域

如今仿真技術已經得到了廣泛的發展，人們已經把它運用到生活中的各個領域，比如：化工熱能、汽車動能、智能機器、航空航天等。

3.1 單個領域方面

（1）同機械系統相關的仿真：主要有空氣動力學仿真、多體動力學仿真、碰撞仿真、結構分析仿真等。這些仿真技術都是通過對設計產品的各項性能指標（如碰撞性、力學特性、可操作性）的仿真數值分析，從而檢驗設計，優化結果。

（2）控制系統仿真：是技術控制人員在開發產品控制系統時常用的。主要是通過簡化被控的系統模型，來構建控制系統。

（3）電子系統仿真 ：虛擬仿真技術在電子系統中也得到了廣泛的設計應用。最常見的是現在流行的電子仿真平臺，它是采用電路語言來描述電路的電子結構和參數特性對電路進行虛擬，使得設計者能通過設置平臺的參數進行仿真試驗，并根據仿真數值結果來檢驗電路產品設計的可行性。因此，虛擬仿真技術在電子系統的應用不僅能夠簡化我們的電路設計過程，還能對電路設計的虛擬產品進行仿真運行，從而完成一系列的電子產品設計。

3.2 多領域方面

虛擬仿真技術在單個領域的應用主要偏重于電子、機械等單個領域，而在現代科技高速發展的今天，更多的是多個領域的應用，如像熱能化工、航空航天、汽車等領域，在這些產品中需要整合不同領域的子系統，如：電子系統、控制系統、軟件系統等，將各領域的子系統構建成一個整體進行虛擬仿真。

4 虛擬仿真的基本流程

4.1 三維數字建模

三維數字建模即是使用虛擬仿真的計算機軟件，進行三維建模，將傳統的工程或產品設計方案、草圖等各種參數，構成可用于設計的后續處理成品所需的三維數字模型。常用的數字建模有下面幾種方式：第一，在AutoCAD中繪制平面圖，并將繪制圖形導入三維軟件中進行放樣、拉伸等操作，從而由二位線生成三維體結構。第二，產品參數化設計，通過準確及全面的參數設置來構建實體。第三，構建拓撲參考圖，先利用手繪或草圖，然后導入到三維軟件中來設置。第四，利用建模軟件進行建模，如Polygon和Subdiv等，最后轉換成產品設計成果。

4.2 設定色彩及材質表現

在產品設計中如何設定色彩，主要考慮以下方面：產品的原色、環境色、光源色等，這些都可以通過材質模塊編輯進行仿真，如可利用材質的透明度、顏色、周邊環境、折射等屬性來模擬現實中的各種材質體現。還可添加不同的材質節點來虛擬毛皮、砂石等各種特殊材質，從而仿真體現各種材質。

4.3 動畫仿真處理

在產品設計中也需要用虛擬仿真的手段用于動畫仿真處理，主要有裝配過程中的仿真。利用虛擬的三維軟件可以制作動畫模塊，從而輕松實現仿真動畫，這與靜態圖不同，比如：在動畫中把產品組裝的過程制作成關鍵幀，一直到最終渲染成動態視頻，這樣設計者就能通過瀏覽生成的視頻文件校驗該產品的結構和組裝運行。

5 結語

通過虛擬仿真建模及運行，我們可以獲得對產品的一個完整認識。但是作為產品設計者，我們還要考慮如何正確地評估產品，如何為仿真建模提供準確的反饋，這些都將是產品設計能否成功的重要依據。也就是說這些對我們以后如何快速、準確地進行仿真建模是一個挑戰。虛擬仿真技術的引入，不僅改變了產品設計手段，更使得產品設計有了質的飛躍。

盡管目前虛擬仿真技術在產品設計中的應用已有豐碩的研究成果，也得到較為廣泛的應用，但在今后的研究中我們還可以找到新的突破口，例如：可以開發出適合實際應用的仿真程序新插件，如文獻介紹了利用VB. NET作為開發工具對AutoCAD進行了二次開發，實現了在AutoCAD環境下的三維零件實體虛擬拆裝的動態仿真。該方法能夠自動完成零件圖的自動拆卸和裝配過程的模擬，對于實際產品設計及相關過程有一定的示范作用。

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