[科普中国]-虚拟产品设计

背景

随着全球经济一体化的环境形成，市场竞争愈演愈烈。各个企业面临着一个急需解决的问题是，一件产品往往要经过多次反复的试制才能进入市场，也就是说，许多公司仍认为，无法在缩短产品上市时间以及缩短产品和用户距离上取得实质上的突破。虚拟产品开发就是在这样的背景下产生的。1

虚拟产品开发是以计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、虚拟现实技术和多媒体技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术。虚拟产品开发是实现产品开发在计算机环境中数字化的映射。它将现实产品开发全过程的一切活动及产品演变基于数字化模型，对产品开发的行为进行预测和评价。应用虚拟现实技术，可以达到虚拟产品开发环境的高度真实化，并使之和人有着全面的感官接触和交融。在这里，可以把虚拟产品开发定义为：在产品设计或制造、维护等系统的物理实现之前，模拟出未来产品的性能或制造、维护系统的状态，从而做出前瞻性的优化决策和实时方案。1

定义虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境中，设计者不但能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的系统模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用需要。2

虚拟产品设计是在真实产品加工以前，通过实施有效的产品设计方法和手段，建立产品的功能和结构信息模型，同时对产品的结构、功能和性能进行仿真，作为对设计的指导以及对用户需求的预评估。3

一件真实产品从构想到市场一般要经历概念设计、详细设计、生产制造、广告宣传和市场销售等过程。而虚拟产品则是将这一过程在计算机中模拟表现出来。4

开发中的核心内容虚拟产品开发体系的核心内容包括产品开发过程数字化建模、数字化产品建模和数字化产品仿真三个方面。

产品开发过程数字化建模在并行工程思想指导下，产品开发过程是多学科群体在计算机技术技术和网络通信环境的支持下，在产品开发活动的时间和资源约束下，基于产品全生命周期信息，进行产品开发组织结构和开发任务的动态调控流程。过程建模应考虑的内容有：

（1）过程模型的描述方法及在计算机上的处理和实现，过程的动态调整和优化；

（2）组织模型要规划和描述组织结构、活动分工、权限和责任定义；

（3）资源模型对信息、设备、人力、资金等资源进行动态规划和配置控制；

（4）约束规则：时间约束是仅次于资源的主要约束，在资源允许下，增大产品开发活动的并行度；信息约束是开发活动之间及开发活动中单元之间相关性和一致性的保障；

（5）过程监控和协调进行实际约束管理、过程的实时监控调度和冲突仲裁，保障过程按照最优方向进展。1

数字化产品建模产品建模主要以面向对象技术为工具，以STEP标准为指导思想，建立基于装配的约束参数化的特征产品定义模型。其特点如下：

（1）基于STEP思想。产品数据的表示和交换是基于不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的数据，从而使产品数据的表示具有标准化和共享性的特点。

（2）支持工程分析工具的应用。工程分析工具利用已经建立好的产品模型，对零部件甚至整机进行有限元受力分析、热应力分析以及运动仿真、性能仿真、装配仿真，仿真的结果可以直接用于指导数字化产品的设计修改，不必通过实物模型来验证。

（3）支持产品异地、并行设计。由于产品模型在计算机上定义，加之网络通信的迅速发展，处于异地的设计人员也可方便地进行交流。设计队伍中除含有设计、制造、装配、试验等专业人员外，还有合作伙伴、用户代表等，这样在产品的开发过程中能及早的发现问题，在产品开发的早期阶段就得到解决。尽量避免下游重大问题的反馈所造成的时间拖延、成本上升等现象。1

数字化产品仿真数字化产品开发的仿真包括：全生命周期的产品演变仿真和产品开发全过程的活动仿真。全生命周期的产品演变仿真是通过产品的数字建模，反映产品从无到有，再到消亡的整个演变活动，用户和开发者在制造实物之前即可充分地评审其美观度、可制造性、可装配性、可维护性、可销售性和环保性能等，从而确保产品开发的一次成功率。产品开发全过程的活动仿真旨在通过开发活动的数字模型，反映虚拟开发组织形势下，产品开发活动的功能行为和运作行为，仿真虚拟产品开发的设备布置、物流系统、资源的利用和冲突以及组织结构、生产活动和经营活动等行为，从而确保产品开发的可能性、合理性、可靠性、经济性、高适应性和快速响应能力。1

设计过程虚拟产品的设计全过程包括计算机辅助概念设计、计算机辅助详细设计、虚拟制造、广告宣传设计以及虚拟市场设计。

计算机辅助概念设计产品的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步结构设计。一般意义上的概念设计是指产品在功能和原理基本确定的情况下，对产品外观造型进行设计的过程。计算机辅助设计概念设计是CAD领域中的一个重要分支，它设计到设计方法学、人机工程学、人工智能技术、CAD技术以及认知与思维科学等。4

计算机辅助详细设计在对产品进行概念设计后就要对产品进行详细设计。虚拟产品是一个数字化的产品，它具有真实产品所必需的具有的特征。这样，通过对产品实时性功能的仿真，设计人员或用户就能够像使用真实产品一样使用虚拟产品。4

虚拟制造在完成了产品的详细设计后，在计算机中就形成了待制造的虚拟产品。在虚拟产品真实投产前，必须在虚拟制造系统中模拟出产品未来的制造过程。虚拟制造可分为三种范式，虚拟制造的目的是一致的，即提供一个集成环境，集成一些孤立的制造技术（如CAD、CAM、CAPP等）使用户可以在不同的工作地同时执行部分或全部功能。4

广告宣传设计为了适应激烈的市场竞争，设计厂家不能坐等用户找上门订购产品，而应该主动把自己厂家的产品推向市场。将虚拟现实技术制作虚拟产品的动画广告与计算机网络技术结合起来，时用户能够通过网络来浏览设计厂家设计的产品，并能直接在虚拟环境中对产品的功能、结构、外形、色彩等方面进行实时交互、了解、观察，同时，还可以通过Email或网络对产品提出意见和建议等，让厂家参考各方面的意见修改和完善所设计的产品。这样可以提高设计厂家的竞争力，为设计厂家谋得更多的市场份额。4

虚拟市场设计若用户对厂家设计的产品引起购买欲望，通过网上浏览，将信息反馈到各商家，商家则会主动争先与厂家联系，网上订货，使厂家的产品提前占领市场。4