中物院老科协《问答数字样机》科普巡展板（稿件）
（培训中心老科协供稿）
1.何谓数字样机？
为验证设计或的合理性和正确性，或生产的可行性而制作的样品。数字样机是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。DigitalMock-Up。
数字样机是一个PLM领域的常用术语。但是，数字样机本身并没有一致公认的概念，数字样机所包含的内涵也在不断发展。
2.数字样机研发需要哪些共性关键技术？
一个完整的产品数字样机起码应包含如下几方面的内容：
????⑴所有零部件的三维数字化模型及各级装配体，而且三维模型应参数化，适合于变形设计，适合于部件模块化。
????⑵采用基于模型定义的MBD技术。何谓MBD技术？详见后面“7.”和“8.”。
⑶三维装配体（整机、部件）应该适合作运动学仿真、动力学仿真，以及结构分析、热分析、优化设计等。
⑷形成基于三维数字化设计的PDM（产品数据管理）结构体系。
⑸从产品数字样机设计过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律，进而建立起基于三维数字化设计的产品开发体系。
⑹三维全功能数字样机的检测与仿真模拟试验。
⑺产品各类文档（含管理文档）的数字化。
⑻产品研发中的数字化计算过程。
数字化的关键技术是离散化技术，其本质是如何将连续物理现象（包括相关物理量和几何量等）、模糊的不确定现象（包括设计、制造、维护的环境和个人的知识、经验、能力等）离散化，进而实现数字化。数字化设计的基础是产品建模，主体是优化设计，核心是数据管理。
附：（仅供参考，可不在展板上登出）
若干军工企业分层次建立数字化设计制造管理集成系统。
初级数字化水平(以单项数字化技术为主)：在产品设计制造过程中实现CAD、CAM、CAE、CAPP和计算机辅助检测技术CAT等的大部分功能；在企业管理信息化方面，使用管理信息系统(MIS)和办公自动化系统(OA)，初步实现以财务管理为核心的人、财、物、产、供、销的计算机辅助管理。
中级数字化水平(以系统集成技术为主)：实现设计制造集成，即CAD/CAPP/CAE/CAM/CAT的集成，产品数据管理技术(PDM)等，使传统设计制造模式向以数字样机为核心的产品虚拟化设计制造模式转化；在对业务流程进行梳理、优化和再造的基础上，基本实现MRP-II和企业资源计划ERP的主要功能。
高级数字化水平(以优化价值链为核心的虚拟制造和电子商务)：实现多厂所之间的异地协同设计与制造，应用先进的信息技术和数字化制造设备，实现生产过程的自动化和最优智能控制；以优化价值链为核心，在实现ERP的基础上，实施SCM、CRM客户关系管理和管理方式网络化；实行B2B(企业对企业)、B2C(企业对客户)等电子商务，并企业内部的ERP集成，全程实现商务运营电子化。真实性。数字样机的根本存在目的是为了取代或精简物理样机，所以数字样机必须在仿真的重要方面具有同物理样机相当或者一致的功能、性能或者内在特性，即能够在几何外观、物理特性以及行为特性上与物理样机保持一致。
面向产品全生命周期。数字样机是对物理产品全方位的一种计算机仿真，而传统的工程仿真是对产品某个方面进行测试，以获得产品该方面的性能。数字样机是由分布的、不同工具开发的甚至是异构子模型的联合体，主要包括CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型、使用维护模型以及环境模型。
多学科交叉性。复杂产品设计通常机械、控制、电子、流体动力等多个不同领域。要想对这些产品进行能够完整而准确的仿真分析，必须将多个不同学科领域的子系统作为一个整体进行仿真分析，使得数字样机能够满足设计者进行功能验证与性能分析的要求。
广义数字样机从制造的角度出发，认为数字样机是一种基于计算机的产品描述，从产品设计、制造、服务、维护直至产品回收整个过程中全部所需功能的实时计算机仿真，通过计算机技术对产品的各种属性进行设计、分析与仿真，以取代或精简。狭义数字样机从计算图形学角度出发，认为数字样机是利用虚拟现实技术对产品模型的设计、制造、装配、使用、维护与回收利用等各种属性进行分析与设计，在虚拟环境中逼真的分析与显示产品的全部特征，以替代或精简物理样机。
DigitalMock-Up）即产品的仿真模拟，是法国达索系统公司开发的软件CATIA对数字样机给的名称，中国国标的数字样机定义所使用的英文名称和它一样，而未使用DigitalPrototype（DP）即原来的UGS公司综合了数字样机、查看以及修改操作过程。支持真正的关联环境设计，适用于超大规模的多种CAD平台装配模型。按照数字样机反映机械产品的完整程度分为全机样机和子系统样机。全机样机包含整机或系统全部信息的数字化描述，是对系统所有结构零部件、系统设备、功能组成、附件等进行完整描述的数字样机子系统样机是按照机械产品不同功能划分的子系统包含的全部信息的数字化描述，如动力系统样机、传动系统样机、控制系统样机等。按照数字样机研制流程或生命流程阶段分为方案样机、详细样机和生产样机。方案样机指在产品方案设计阶段，包含产品方案设计全部信息的数字化描述详细样机指在产品详细设计阶段，包含产品详细设计全部信息的数字化描述生产样机指在产品生产阶段，包含产品制造、装配全部信息的数字化描述。
图2在产品全生命周期中的数字样机
图2所示的需求样机和概念样机可以合为方案样机，工程样机即详细样机，最终样机即生产样机。
⑷按照数字样机的特殊用途或使用目的可分为几何样机、功能样机、性能样机和专用样机等。几何样机侧重于产品几何描述功能样机侧重于产品功能描述性能样机侧重于产品性能描述专用样机能够支持仿真、培训、市场宣传等特殊目的。
由此可见，运用数字样机可以加快产品开发进度和降低成本，明显提高产品质量和性能，获得最优化的创新产品设计。
CATIA的电子样机DMU主要有以下功能：
与CAX系统完全集成，并以"上下关联的设计"方式作业。
提供强大的可视化手段，除了虚拟显示和多种浏览功能，还集成了DMU漫游和截面透视等先进手段。
具备各种功能性检测手段，如安装/拆卸、机构运动、干涉检查、截面扫描等。
具有产品结构的配置和信息交流功能。由于电子样机（DMU）技术加强了设计过程中最为关键的空间和尺寸控制之间的集成，在产品开发过程中不断对电子样机进行验证，大部分的设计错误都能被发现或避免，从而大大减少实物样机的制作与验证。
图4美国研发的波音777和联合攻击战斗机JSF
波音777是世界上第一个采用全数字化定义和无纸化生产的大型飞机。
依据飞机部件功能划分为238个综合设计制造小组，共有人员8000余人。
配置2200个使用CATIA软件的IBMRISC6000工作站和9000多台PC，建立了由8台主机联网的并行工程环境，支持238小组进行产品设计与信息交换。
设计错误修改量较过去同类机型减少了90％，减少设计更改和返工率50%以上，降低成本30%-60%，不合格品减少50％～80％，缩短开发时间50%。
美国联合攻击战斗机JSF是首架从开始就完全实施数字化设计的飞机，缩短研制周期50%，降低制造成本50%。
中国范例：中国研发的飞豹改进型战机（歼轰7）和歼10（出口型为枭龙）（参见图5）。
◎飞豹改进型战机的研发采用了中国首架具有完全自主知识版权的全机电子样机，在国内实现了首次“电子预装配”，首次全机“无图纸”设计和制造。
◎经过制造的全面检验,证明采用数字样机可缩短60%的设计周期,提高了设计质量,减少了40%的设计反复。设计周期由2年6个月缩短为1年。
◎原有同等规模的飞机在制造过程中约有工程更改单7000张左右,在采用了数字化设计手段后,工程更改单减少到了1082张。……。
◎飞豹的成功经验在歼10等其他机型的研制中获得了推广。
图5中国研发的飞豹改进型战机歼轰7和歼10（出口型为枭龙）
7.研发数字样机时，对产品模型应该如何定义？
应该采用MBD技术，即使用实现全三维、单一数据源、文档驱动基于特征的标准化定义MBD的中文是基于模型的定义，英文是ModelBasedDefinition，解决了数字化三维模型不能直接用于数字化制造的问题。实际上，MBD是一种基于3D（全三维）的产品数字化标注技术，它采用三维数字化模型对产品数字化信息做完整描述，如：
●对三维空间实体模型的尺寸、几何形状、公差、注释进行标注。
●对产品的非几何信息进行标注（产品物理特征、制造特征、数据管理特征、状态特征的属性）和零件表的描述。非几何信息定义在“规范树”上。
??MBD是产品设计技术的划时代进步（称为第三代工程语言）：
●在三维模型上用简明直接的方式加入了产品的制造信息，进一步实现了从CAD到CAM（加工、装配、测量、检测）的集成，为彻底取消二维图纸创造了可能。
●定义了非几何信息（包括物料清单BOM）。
●是数字化和结构化的。给制造管理系统的数字化创造了条件！
●为并行工程创造信息并行和共享的基础！
●部分零件可以直接进入制造，成倍的减少NC（数控）编程时间。
??目前MBD已经相对成熟。美国制造工程师协会于2003年发布了“数字化产品定义数据实践ASMEY14.42-2003”。三维数字化集成软件三剑客（DS的CATIA，SIMENS的NX，PTC的Creo）都支持ASMEY14.41标准。波音等航空制造商制订了自己的3D开发标准，……。我国的军民用飞机设计制造也正逐步实施和应用MBD技术，……。
MBD模型分为零件模型与装配模型。零件模型由以简单几何元素构成的、用图形方式表达的几何信息和以文字表达的属性、注释等非几何信息组成。属性数据表达了产品的原材料规范、分析数据、测试需求等产品内置信息；而注释数据包含了产品尺寸与公差范围、制造工艺和精度要求等生产必需的工艺约束信息。装配模型则由一系列MBD零件模型组成的装配零件列表加上以文字表达的属性和注释数据组成。
MBD使三维数字化模型成为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主、以三维数字化实体模型为辅的制造方法。
参见图6～图9。
图6传统的信息传递方式
图7MBD的发展历程
图8MBD是什么
图9基于MBD的数字化设计制造一体化
9.三维数字化设计的集成软件主要有哪些？
实现了CAD/CAE/CAM/PDM完全集成的高端软件有：法国达索公司开发的CATIA（歼轰7就是选用此款软件实现完全数字化的）、德国西门子公司开发的NX（即以前的UG）和美国参数化技术公司开发的Creo（即以前的Pro/E）。主要用于汽车、航空、航天、核武器、兵器、船舶和模具等行业。
实现了CAD/CAE/PDM集成的中端软件有：法国达索公司开发的SolidWorks、德国西门子公司开发的SolidEDGE和美国欧特克公司开发的Inventor。主要用于通用机械行业。
10.数字样机DMU（又称电子样机）和产品全生命周期管理PLM有什么联系与区别？
数字样机的定义包括PLM的基本功能——工业设计、设计和工程、数据仓库，以及协作。不过，与PLM相比，它有一些重要的区别：PLM涉及始至终的整个产品开发流程，而数字样机则止于完成数字产品及其工程物料清单之后。比起无所不包的PLM，数字样机开发周期中参与的人数大大减少，因此数据的收集、管理和共享也就没那么复杂。此外，制造企业可以将其产品开发活动与运作管理分离开来，且无需花大量的时间和金钱与公司的企业资源计划(ERP)系统、客户关系管理(CRM)系统，以及项目与组合管理(PPM)系统等应用程序集成。总的说来，数字样机比PLM更灵活、更专注，并且更易于使用。在工业设计阶段，借助数字样机工具可以帮助工业设计师们借用草图把数字化信息表达出来，并转变成三维模型继承应用，以保证其徒手勾勒的各种创意不会丢失。在工程设计阶段，机械设计师会将各个零件模型建造出来，确保都能正确地装配和安装；电气工程师将设计电气系统与机械系统紧密结合，以保证其正常工作。未来的数字样机将提供功能导向性技术，可以让工程师自动创立他们的模型，通过数字样机技术提供的虚拟设计方式解决工程设计问题。
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