计算机虚拟技术在机械企业中的应用及其发展前景

计算机虚拟技术在机械企业中的应用及其发展前景

李正海

(戚墅堰机车车辆厂 江苏常州213011 0519-8771711)

摘要∶本文介绍了计算机虚拟技术在机械企业中的应用领域、应用状况、取得的巨大成果，说明该技术在缩短产品研发周期、提高产品质量、降低产品成本等方面具有的广阔应用前景，同时本文还简述了应用实施该技术需要注意的几个问题。

关键词∶计算机 虚拟技术 企业

引言
计算机虚拟技术是利用计算机软硬件、网络，在硬件产品试制之前，进行产品的设计、分析、加工、装配模拟，预测产品的综合性能、成本、市场响应的一种高新技术。由于它可覆盖企业的各个领域，在硬件产品试制以前，已充分考虑了产品设计、工艺、加工、支持(采购、库存、销售、发送、维护、报废、回收)的全过程，考虑了产品的质量、成本，考虑了企业内部的管理模式、企业的能力以及企业与企业之间的关系，因此可以大限度地尽早发现产品潜在问题，减少产品早期开发错误，节约成本、时间，提高产品的质量，这样根据显在与潜在的市场需求，可以快速地把虚拟的高质量、低成本的产品投放市场，从而获得巨大的经济效益与社会效益，所以计算机虚拟技术在机械企业中已得到了广泛的应用，它将向更大的应用范围、更深的应用水平方向发展，也将是今后机械企业进行技术改造的潮流与方向。

计算机虚拟技术的框架结构
从根本上讲实施计算机虚拟技术重要的是系统的大集成，该技术的应用目的是把全球资源、企业的内部各种人力、物资、资金等各种信息结合起来，利用计算机软硬件设备，建立一个基于计算机系统的虚拟企业环境，使企业成为设计开发现代化、管理服务现代化、组织结构现代化、人员素质现代化的先进企业，可以对市场进行快速反应，充分、合理地组织、利用企业资源，在尽量短的时间内，制造出高质量、低成本的产品，以满足市场的需求。

计算机虚拟技术涉及到企业的各个方面，为了叙述方便，将其分为三个部分，分别是计算机虚拟技术实施的基础平台、计算机虚拟技术在产品设计、加工中的应用以及该技术在企业管理、支持系统中的应用。

计算机虚拟技术实施的基础平台
计算机虚拟技术实施的基础平台包括将全球连接起来的Internet网络系统、企业内部实施的Intranet企业内部网络系统、数据库管理系统和运行各种软件的计算机、服务器等硬件设备等。

Internet系统是覆盖全球的信息系统，数据的通讯能力正日益提高。利用该系统，依靠社会力量，充分利用对产品性能有技术优势的企业的资源，形成战略合作伙伴，形成跨地区的、基于Internet网络系统的虚拟地理位置的企业集团，可以使机械企业实现优势互补，扬长避短，从而可以以更低的成本，更短的周期来加工装配出高质量的产品。

在企业的内部，以Internet方式构造企业内部网，即Intranet，将各部门、个人联系在一起，实现信息的高速传输，可极大程度地增强企业的凝聚力和综合实力。

企业的数据种类繁多、管理困难，因此必须制定统一的标准、利用数据库系统，对企业的数据进行全过程管理。

计算机硬件设备种类繁多、配置各异，包括UNIX、NOVELL、NT服务器、UNIX、NT图形工作站、普通微机、终端以及各种输出、输入设备，由于硬件的发展较快，因此应根据工作内容的不同，以满足企业两到三年的需求确定硬件设备的种类、配置，以获得合理的性能价格比。

计算机虚拟技术在产品设计、加工中的应用
计算机虚拟技术在产品设计、加工中的应用极为广泛，笔者简要地介绍计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助工艺(CAPP)及计算机辅助制造(CAM)四个方面的应用。

随着现代社会的发展，人们对产品的外观美学要求越来越高。以往在产品的推销过程中，往往需要制作一系列的产品实物，供用户选择。但是，制作产品实物的成本是十分昂贵的，制作出来的产品又不一定能适应市场的需求，因此很多国际先进企业，都已采用计算机虚拟技术，设计、构造出多种方案的产品模型，即虚拟样机，提供给用户，这样就节约了产品样机的制作开销，也容易符合市场的需求。目前Alias Wavefront软件是世界上好的外观造型软件。

利用三维设计软件进行产品设计，设计人员就可利用计算机直观地确定零件的尺寸、公差、加工工艺，产品的装配的方法，安排工艺流程等，进行三维方式的装配，检查零件之间的干涉关系，进行公差分析等工作。设计人员设计时面对的是与实物相似的虚拟产品，而且计算机软硬件还提供了超越实物的设计手段，例如设计人员可以随心所欲地对产品进行剖切。目前国内在二维设计方面，AutoCAD软件是应用为广泛的绘图软件。而在三维方面，的设计软件包括Pro/Engineer、Ideas、UGII、Catia等，中档的设计软件包括AutoCAD MDT、Solid Work等。

随着有限元分析、可靠性分析、优化设计等先进的方法、理论逐步成熟，很多商业计算机辅助分析软件进入了实用阶段。经验表明，利用计算机分析软件进行产品的各种性能分析，如强度、刚度分析、热传递分析、电磁场分析、冲压、锻造、碰撞大变形分析、铸造分析、各种应力场、电磁场、流场的耦合场分析、模态、振动分析、系统动力学分析等，能够从早期模拟、预测产品的性能，从而可以进行多方案比较，进行系统优化，减少潜在质量问题，为新设计产品提供理论依据，可以减少试验费用，提高产品的一次试制成功率。目前世界上比较的分析软件主要包括综合性分析软件Ideas、Ansys、Nastran、非线性分析软件Marc、铸造分析软件Magma、Procast、冲压、碰撞软件Dyna、系统动力学分析软件ADAMS等。

相对而言，在工艺设计方面，专门论述虚拟技术的较少，原因是工艺设计的工作内容在往往被CAD、CAM两方面的工作所覆盖，例如装配工艺设计，三维设计软件可以生成零件的爆炸图、或生成模拟零件装配的动画过程，装配人员可以直观地了解装配的过程；再如加工工艺的确定，在利用CAM软件进行零件加工代码编制时，就必须考虑工艺设计的全过程，因此相对而言，虚拟技术在这方面的论述较少。但是计算机辅助工艺设计系统可以提高工艺的设计效率、促进企业各部门之间的协同工作、提供工艺设计的质量、充分发挥集团的生产能力，因此它也是企业应用计算机技术的一个不可缺少的重要组成部分。目前国内比较的计算机辅助工艺设计软件有SIPM软件等。

计算机辅助制造软件根据计算机设计软件设计出的二维或三维数据，确定加工工艺，结合具体的加工设备，生成加工代码，可以在计算机上模拟加工的过程，了解加工的刀具轨迹，检查刀具、夹具、工作件、机床之间的干涉关系，从而可以取消预切，得到佳的加工工艺，缩短生产准备周期，提高加工的质量与效率，提高产品零件加工的一次成功率。

计算机虚拟技术在企业管理、支持系统中的应用
企业管理、支持系统的工作内容包括营销、原材料、配件采购、库存、销售、发送、维护、报废、回收等。利用计算机虚拟技术，建立企业信息管理系统，可以根据市场需求，利用虚拟的产品设计信息，模拟企业的运作，对市场进行快速响应，从而大幅度降低各种物料库存、提高资金周转、加强设备资源合理利用、提高劳动生产率、优化新产品的制造成本。目前基于Internet/Intranet系统的产品数据管理或企业信息管理系统有PTC公司Windchill、SDRC公司的Metaphase、SAP公司的R/3、EDS公司IMAN、Fourth Shift等。

计算机虚拟技术应用状况及产生效益
计算机虚拟技术在机械企业中取得了丰硕的应用成果，它为企业树立了科技形象，争取了市场，解决了产品中存在的问题，为创新产品设计提供了高科技的手段，创造了极大的经济效益与社会效益。笔者在此略举数例。

99年5月，戚墅堰机车车辆厂与浦镇车辆厂承接了铁道部科技司的180公里准高速内燃动车组研发项目，该动车组是新一代城际交通列车，采用流线型设计，为了得到完美的动车组油漆方案，在动车组设计初期，利用Alias!Wavefront软件进行了油漆方案设计，形成了动车组效果图，受到用户单位的高度好评，预计产品将于10月份在沪杭线。

98年4月，戚墅堰机车车辆厂为美国巴博尔转向架国际公司生产摇枕、侧架。由于外方对产品有重量限制，因此为了预测产品在壁厚公差范围内的重量能否满足外方的要求，工厂利用Ideas软件对摇枕、侧架进行三维实体造型，利用软件计算出模型重量，得出外方所给予的重量限制裕度较大，产品可以满足其要求的结论，从而为工厂进行该项商务合作提供了理论依据；另外计算出产品重量，也就可以计算原材料的消耗量，从而为产品的成本核算提供一定的原始数据。目前这两项产品已为工厂创汇数百万美元。

98年7月，戚墅堰机车车辆厂参加新加坡凹底平车、长平车招标，招标要求提供符合DCPS规范要求的车体钢结构静强度有限元分析报告，工厂利用Ideas软件对这两种产品按DCPS规范进行了静强度分析，考虑了多种载荷的不同组合工况，计算后发现长平车基本满足要求，而凹底平车不能满足DCPS规范要求，存在设计缺陷，经改进车体结构，重复计算，后得出了满足强度要求的车体结构，提交出分析报告。这次计算一方面说明了国际市场对有限元分析的重视，另一方面也确实提高了工厂产品的质量，避免了隐患。目前这两个产品的制造已经完成。

98年12月，戚墅堰机车车辆厂利用Ansys软件对目前国内单机功率大的内燃机车—东风8B型内燃机车车体钢结构进行静强度分析，通过对模型施加垂向、纵向压缩、拉伸、组合等多种载荷，模拟静载、牵引、救援等工况进行计算，计算结果与试验结果比较，发现危险部位虽然应力幅值有一定差异，但都在屈服极限之内，而位置两者之间是基本一致的，而车体侧梁挠度也是基本一致的，这就验证了有限元分析方法的合理性，于是工厂在研发180公里准高速内燃动车组时，就计划仅利用软件进行静强度分析，取消真实的静强度试验，从而可以节省近二十万的试验费用。

99年1月到3月，戚墅堰机车车辆厂与奥地利AVL公司进行新一代16V280ZJB型柴油机合作开发，该柴油机开发成功，将是国内单机功率大的机车柴油机，为了指导柴油机机体模具的制作，利用Pro/Engineer软件进行了三维实体建模、模具生成。从效果来看，由于工艺师可直观地在计算机中了解机体、模具的三维模型，极大程度地提高了模具生成的效率与质量。另外通过这次建模工作，准确预测了铸造该机体毛坯所需的钢水重量。

径向转向架是为了提高机车曲线通过能力、粘着系数，以运用于山区小曲率半径、提高机车牵引能力的新一代转向架，是国际新型机车开发的一个发展方向，国内目前尚无产品问世。99年4月，戚墅堰机车车辆厂利用Adams软件进行径向转向架机构分析，得出了曲率半径与转向机构的转角关系，为产品试制奠定了一定理论基础。

又如铁道部机车车辆工业总公司提出开发“开发产品基础数据库系统、材料、工时、资金三大定额管理系统”的要求，戚墅堰机车车辆厂历时一年开发完成这项工作，该系统以产品基础数据为基础，以数据库技术、网络技术为应用环境，形成材料、工时、资金等定额标准,可及时统计消耗数据，从而可以加强企业管理，降低产品成本，为市场产品快速定价提供可靠数据。

计算机虚拟技术的发展与应用前景
随着社会的发展，新的计算机硬件的速度、存储空间还将高速发展，Internet网络的信息通讯流量也将越来越大，全球的信息更加丰富，企业内部的网络系统的通讯能力也将越来越强，软硬件设备、网络系统性能价格比越来越高，使中小企业也完全能承受，所以预计计算机虚拟技术的应用将向更广泛的领域发展。

各种先进的现代设计理论和方法，如虚拟产品、辅助分析、优化分析、动态模拟、数字仿真、人工智能、专家系统、可靠性等等，经过长期的应用经验积累、数据积累，将日益成熟，进入实用推广阶段。另一方面，为了解决新产品设计中的各种疑难问题，克服现有产品中的缺陷，也必然将诞生出多种先进的设计理论与方法。

如前所述，企业全面开展计算机虚拟技术重要的是系统的大集成，随着技术的发展，世界、企业信息量越来越多，企业内部的管理、设计、工艺、加工、测试、质量等方面的信息集成能力将越来越强，企业的各种系统向着高柔性，系统化、集成化、智能化、实用化的方向发展，企业与企业之间的交流合作也越来越多，形成社会化大分工，形成战略性的合作伙伴关系，企业向高柔性、高集成性方向发展，而机械产品的质量、种类也将发生质的飞跃。

计算机虚拟技术应用实施过程中需要注意的问题
计算机虚拟技术的应用必须紧密围绕企业发展的目标展开，根据企业自身的产品特点、组织结构、人员素质、设备生产能力、资金状况等具体情况，按照计算机集成制造系统、并行工程、敏捷制造等先进思想构造系统的框架，着眼于企业的长远目标，制定一个相对长期的发展规划，再立足于当前的基础与近期迫切需要，选择一些技术成熟、易于实现、切实可行的项目，制定确实可行的分步实施的项目计划，从而保证项目实施的实用性与可扩展性。这样企业可以利用有限的投入中获得了较大的经济、社会效益，也有利于计算机虚拟技术的逐步展开。

计算机虚拟技术的应用与企业的结构调整密不可分，计算机虚拟技术不再是简单的工具，而是一种崭新的企业产品开发体系、企业管理体系，企业要想全面发挥其优越性，必然需要克服新知识、新技术与现有企业管理模式、人的思想等方面的矛盾，适当调整企业的组织结构，调整企业的运作流程，使之与先进的技术相适应。

计算机虚拟技术是一种复合性的科学，它不仅涉及其具体应用领域，如机械、加工、工艺等，还涉及计算机、数学、力学、图形学等众多学科，知识面广、系统复杂、专业水平要求高，实施周期长，需要大量的、稳定的、高水平的复合性人才。相对而言，人才流失可能是国有大中型企业头疼的问题之一。因此迫切需要企业领导，正确理解计算机虚拟技术的应用重要性，采用思想教育和合理的技术、经济政策相结合的方式留住人才，对他们进行各种层次的培训，以建立一支高水平的、稳定的技术队伍。

结语
机械行业是国家的基础工业、也是传统工业，如果不积极采用先进的计算机技术，虚拟技术、各种现代设计理论与方法来改造企业的组织形式、管理方法、产品研发过程，今后的机械工业将成为夕阳工业，企业也将失去生存的机会。但是，我们也应该看到，国内机械企业目前可以直接利用已经日趋成熟的先进计算机技术，从而可以避免发达国家在技术成长阶段走过的一些弯路；同时计算机虚拟技术的投入已进入实用阶段、计算机软硬件设备的性能价格比日益提高，已不再需要巨大的投资，国内机械企业利用有限的资金，以佳的性能比合理购置计算机软硬件设备、进行技术改造，与国际先进企业之间的差距也会缩短得很小，从而使企业保持旺盛的生命力，开发出高质量的产品，在国际大市场这个舞台上崭露头角。

作者简介∶李正海∶男、汉族、生于1971年9月1日、江苏涟水人、1993年毕业于北方交通大学机械工程系铁道车辆专业、现任戚墅堰机车车辆厂电子计算机中心副主任、工厂CAD/CAM重点投入项目负责人、程序员、曾发表《客车车体钢结构计算机辅助设计系统》、《AutoCAD环境下的数控线切割程序生成方法》等论文二十余篇。