虚拟样机技术在我国模具行业的发展趋势与展望

鲍文杰

（盘起工业（大连）有限公司，辽宁大连 116600）

0 引言

经过30多年的发展，我国模具工业通过引进国外先进技术、实行企业转型升级和结构合理调整，已经形成较完整的体系，主要包括：模具设计研发部分、模具材料研发及生产供应部分、模具规格品生产供应部分、特注品模具制造商、国家及行业制定的模具标准体系。由于模具技术的快速发展，已在汽车、电子、仪器、仪表、家电、军工、通信等产品中约80%零部件都需要模具成型加工制造，模具在很大程度上决定着工业产品的质量、经济效益和研制新产品的能力。模具生产技术水平的高低已然成为衡量一个国家制造能力水平的标准。随着我国鼓励和推进产业转型升级、支持战略性新兴产业的大力发展等目标对模具技术水平要求越来越高，如何更快更好地发展模具水平已经成为迫切问题。虽然我国模具技术水平近几年来得到了较大提升，但相对于国外先进模具水平还有很大差距，尤其是在模具研发设计、制造能力和质量水平等方面还存在很大提升空间。

1 我国模具生产技术发展现状

随着计算机技术的高速发展，计算机辅助软件的快速开发和高智能化，使高新技术在模具企业得到了广泛应用，成为快速推进模具研发设计——制造一体化的有力武器。在欧美模具技术水平先进的国家中，CAD/CAM/CAE技术已经得到普遍应用，突显了以信息技术带动模具行业快速发展的优势。CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）/CAM（Computer Aided Manufacturing,计算机辅助制造）/CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）技术的出现使模具设计制造更加简便、直观、快速、准确，摆脱了以往凭经验、用图板、二维图纸设计的初级阶段，同时3D模具设计技术不仅可以完成2D模具图纸设计，还可以通过三维实体模型为NC编程和CAD/CAM的集成化提供十分重要的依据，3D模具设计还可以进行虚拟装配的干涉检查，保证模具设计及工艺的合理性。我国很多模具企业近几年通过引进国外先进的CAD/CAM系统软件，达到了模具设计从二维到三维的转变，大大缩短了模具设计制造周期，保证了产品质量和经济效益的提高。鉴于CAE技术在国外运用十分成熟并取得良好的效果，我国已经有很大部分企业和专家进行了CAE技术的引进和研究，推进了我国模具设计技术水平的快速发展。CAE软件可以对注射模中塑料的冲模、冷却过程进行模拟仿真分析，预测注射模成型过程中可能出现的缺陷问题并进行优化；在冲模中，可以通过对冲压过程模拟仿真，分析金属在其变形过程中受力变化及损坏、裂变、回弹和寿命等变化。通过CAE技术在模具设计中的运用，可以使模具试模时间减少一半以上，缩短模具设计周期，提高模具制造质量。

随着工业4.0时代的到来，促使了模具行业的技术水平需要更快、更好的发展，才能满足人类对制造技术越来越高的要求。“互联网+”时代需要模具产品更加高精度、高质量、高效率、长寿命。而单一的CAD/CAM/CAE系统软件已经不能满足不断趋于更加复杂化、精密化的模具设计制造，因此，需要对CAD/CAM/CAE系统进行二次开发来达到市场对模具产品的需求。

2 虚拟样机技术及其工业应用

2.1 虚拟样机技术概述

虚拟样机技术是指通过对CAD/CAM/CAE系统软件进行二次开发的数字化功能样机技术。相比于传统单一的系统仿真软件，虚拟样机技术属于一种集系统运动学，多体结构动力学，控制理论和有限元、离散元等计算机分析技术于一体的新学科技术。与物理样机试验相比较，通过虚拟样机技术进行产品的研发设计和可行性预估，可以很大程度上降低研发周期与成本，提高产品的质量和使用寿命。

2.2 虚拟样机技术的优势

（1）传统的仿真软件基本都是对单一子系统进行仿真优化，即使将整个系统中的所有子系统都进行了仿真优化，最终也无法确保整个系统设计出的产品性能是可靠性最高的。但虚拟样机技术可以很好的解决传统仿真通过将各优化后的子系统简单装配成完整系统带来的弊端，它更注重于整机的协调性仿真优化，通过对各子系统先进行优化，再对虚拟整机与工作环境进行耦合作用，通过对多种不同的产品设计方案进行虚拟仿真和测评，不断的优化产品方案，最后选取最优的产品设计方案。

（2）传统的计算机仿真软件对产品设计主要是将整机机构、液压传动系统、机电控制系统等某一个子系统作为侧重点来逐步独立设计分析的，不能更好地将所有子系统之间进行动态交互连接和协同仿真，而设计的不合格产品也只能在产品开发末期才能验证出来，不利于缩短产品的研发周期。而虚拟样机技术可以对整机所有子系统同时进行虚拟仿真并贯穿整个设计周期，能在产品开发的前期、中期和后期随时发现存在的问题并及时得到解决，可以有效缩短产品的研发周期。

2.3 虚拟样机技术在工业中的应用

最近几年，虚拟样机技术的应用范围不断扩大，已经由机械制造业、航天航空行业、煤炭行业、军事国防工业延伸到人体工程学、医疗行业等领域。

美国的波音777便是世界上首例从设计、装配、可行性评估到可靠性分析全部采用虚拟样机技术成功开发出的产品，相比之前所用的物理样机试验研发，波音777从设计到制造的周期缩短1/2，总成本节省了1/4，而且保证了产品的最终拼装一次性成功。著名机械厂商John Deere公司的工程师利用虚拟样机技术解决了设备在高速运转时产生的蛇行现象和重载时自振问题，而且通过在虚拟样机上进行设计优化，极大提高了设备的性能，而此前使用的传统方法一直没有分析出其产生原因。同样在数控机床产品的研发方面，我国大部分企业使用传统方法设计，其设计时间约占总开发周期的40%，而国外同类机床产品使用虚拟样机技术所用的设计时间约占总开发周期的25%，仅在开发周期方面就极大降低了我国数控机床的市场竞争力。我国在煤炭机械设计领域也已经开始使用虚拟样机技术，不仅缩短了研发周期，更提高了采煤机在井下作业的可靠性和安全性，为煤炭企业节约了一大笔开支。2017年5月我国国产大飞机C919首飞便取得成功，其中便应用了虚拟样机技术对整机总体的研发设计进行有效指导，不仅节省开发成本，更缩短了开发周期，突显我国航天技术的突飞猛进。

3 虚拟样机技术在模具工业中的发展趋势

虚拟样机技术目前更多的是应用于工程机械领域，其在模具领域中应用却很少：一是模具企业以中小企业居多，资金有限，若非特殊需要，基本不会在虚拟样机技术方面做投资，大部分使用的是传统的模具设计方法；二是以往消费者对产品的需求基本都是标准化，往往一类模具就可以使用很久，不需要重新设计，所以无需使用虚拟样机技术进行新产品开发。但新时代的到来，使人们的消费理念发生了根本的变化，人们更喜欢购买具有个性化甚至定制的产品，这就迫使模具企业需要保证质量的前提下不断缩短产品的设计周期以满足消费者的需求。个性化产品的更新换代，极大地促进了模具工业的发展，拉动了整个模具工业的经济增长，但同时也要求模具企业要在短时间内设计出满足客户需求的模具产品，这对于中小模具企业来说，既是个发展的机遇，又是个严峻的挑战。

随着模具工业在整个工业领域中的地位与日俱增，虚拟样机技术也将在模具设计领域得到更为广泛的应用。通过虚拟样机技术可以缩短新模具产品的开发周期，提高产品的可靠性，通过虚拟样机代替物理样机试模，使模具产品只需一次试模便成功，节约了由于多次试模不成功带来的不必要开支，提高了模具企业在市场中的竞争力。虚拟样机在模具产品开发中的流程为：产品需求分析——产品设计——概念设计、建模——搭建虚拟样机平台——产品的虚拟样机试验、优化——模具生产——物理样机试模——投产。其中虚拟样机技术平台的搭建，可以使用ANSYS、WORKBENCH等有限元分析软件对模具关键零部件进行柔性化处理，将柔性化后的关键部件与其他模具构件导入到ADAMS等多体动力学分析软件中装配并进行刚柔耦合处理，通过MATLAB等数值分析软件生成模具试模时所需的各项载荷文件导入ADAMS等多体动力学软件中进行仿真分析。

4 结语

虚拟样机技术应用到模具工业中，不仅可以满足消费者个性化产品的需求，而且为中小模具企业带来了前所未有的发展机会和影响。

（1）高质量、短周期的模具产品开发方式将更适应市场对新产品的需求，只有“快、优、新”的产品才能让企业继续生存下去。

（2）为客户量身定做。通过虚拟样机技术，可以让企业根据客户对产品的需求进行模具产品设计，待客户满意后再投产，提升了模具企业在市场竞争中的多变性。

（3）节约试模成本。将模具产品进行虚拟样机试模，通过虚拟样机技术可以在产品试模前将可能存在问题与缺陷分析出来，并进行优化设计，直至虚拟样机试模成功后再进行最后的物理样机试模，提高试模成功率，降低开发成本。

（4）对模具产品设计人员的技术要求更高。虚拟样机技术是一门综合多学科的并行工程技术，要求设计人员必须掌握与其相关的专业知识和技能，同时，需要各子系统研发小组之间有更好的协同工作能力。

综上所述，虚拟样机技术的应用将使其在企业开发新模具产品中起到不可替代的作用。国内各模具企业及高校相关科研机构应该加强对其研究和二次开发，打造更具有国际市场竞争力的中国模具产品。