數字樣機建模與仿真

前言

把創意快速變為現實，降低創新的成本，提高創造的效率，是現代製造企業增強競爭力的重要因素。本書依據最新國家標準《機械產品數字樣機通用要求》（GB/T 26100—2010），結合作者在數字樣機技術套用方面的教學和科研成果，系統介紹了數字樣機的基本概念、基本原理和基本方法，主要內容包括緒論、數字樣機美學設計、數字樣機建模技術、數字樣機裝配設計、數字樣機運動仿真、數字樣機有限元分析、數位化人機工程設計、數字樣機數據管理等內容。本書可作為機械工程相關專業研究生或高年級本科生了解數字樣機開發技術，培養其產品創新能力的教材，也可作為從事機械裝備開發的工程技術人員的參考用書。

在科技發展日新月異的今天，製造企業要在日益激烈的市場競爭中立於不敗之地，必須追求以更短的時間（Time）、更優的質量（Quality）、更低的成本（Cost）、更好的服務（Service）和更好的環保（Environment）指標推出新產品，去贏得更大的市場份額。數字樣機開發（Digital Prototyping，DP）技術為製造企業實現其市場目標提供了很好的工具和手段。藉助數字樣機開發技術，可以把創意快速變為現實，降低創新的成本，提高創造的效率。
過去，產品開發人員分為負責CAD建模和圖紙設計的設計工程師、專職產品性能分析的CAE仿真工程師、決定產品最最佳化設計方案的最佳化工程師和產品生產製造工藝師等。現在，隨著企業更加注重研發成本的控制以及數位化設計軟體的快速發展，傳統的分工界限已被打破。從事設計的人員掌握仿真分析技術已經成為時代發展的必然要求。前些年，人們都在討論如何從二維設計套用轉變到三維設計套用，如今這個熱點已經加入了“數位化”和“仿真”討論的成分，數字樣機技術已經開始深入地套用在各種產品開發中。2011年，我國頒布實施了國家標準《機械產品數字樣機通用要求》（GB/T 26100—2010），對機械產品數字樣機的構建、套用及管理等做出了詳細規定。
作者自2001年以來一直從事有關地面機器系統、車輛安全和非標設備等產品的設計研發工作，始終關注著機械設計技術由二維到三維再到數字樣機的最新進展。世界上很多大型的企業如航空、航天、汽車、船舶等行業的公司已經為數字樣機奮鬥了數十年，他們希望整個生產流程從頭到尾都實現數位化，其他企業雖然也已開始動作，但至少需要用10年來實現數位化技術。目前，即使是世界上最複雜的工程企業之一的汽車公司，在建立100%的數字樣機系統上仍存在很多問題。未來幾年是數字樣機轉變的重要階段，接踵而至的挑戰則是機電一體化產品的數字樣機概念。
就發展現狀而言，數字樣機技術的優勢顯而易見。在工業設計階段，藉助數字樣機工具可以幫助工業設計師們借用草圖把數位化信息表達出來，並轉變成三維模型繼承套用，以保證其徒手勾勒的各種創意不會丟失。在工程設計階段，機械設計師會將各個零件模型建造出來，確保都能正確地裝配和安裝；電氣工程師將設計電氣系統與機械系統緊密結合，以保證其正常工作。未來的數字樣機將提供功能導向性技術，可以讓工程師自動創立他們的模型和圖紙，通過數字樣機技術提供的虛擬設計方式解決工程設計的問題。
本書編寫力求理論與實踐相結合，做到內容新穎、圖文並茂、語言簡潔、思路清晰。由於數字樣機技術是一門快速發展的技術科學，涉及計算機圖形學、計算機仿真、信息處理、多媒體技術、虛擬現實技術和管理科學等諸多領域，其技術內涵還在不斷地發展，加之作者在數字樣機技術理論和實踐套用方面水平有限，故本書內容也只能做到蜻蜓點水，走馬觀花。本書參考了大量同類文獻和最新研究成果，吸收了有關網路專業論壇和行業套用報告的大量新知識和新實例，套用了AIP、ANSYS等教育版和試用版工程軟體，在此一併向所有文獻和軟體作者表示最真誠的感謝！
本書可作為機械工程相關專業研究生或高年級本科生的參考教材，也可作為從事機械產品開發的工程技術人員的參考書。由於編寫時間倉促，作者水平有限，不足之處在所難免，敬請各位讀者批評指正。

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