1 引言
計算機虛擬技術(shù)是利用計算機軟硬件、網(wǎng)絡(luò)，在硬件產(chǎn)品試制之前，進行產(chǎn)品的設(shè)計、分析、加工、裝配模擬，預(yù)測產(chǎn)品的綜合性能、成本、市場響應(yīng)的一種高新技術(shù)。由于它可覆蓋企業(yè)的各個領(lǐng)域，在硬件產(chǎn)品試制以前，已充分考慮了產(chǎn)品設(shè)計、工藝、加工、支持(采購、庫存、銷售、發(fā)送、維護、報廢、回收)的全過程，考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，考慮了企業(yè)內(nèi)部的管理模式、企業(yè)的能力以及企業(yè)與企業(yè)之間的關(guān)系，因此可以最大限度地盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在問題，減少產(chǎn)品早期開發(fā)錯誤，節(jié)約成本、時間，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣根據(jù)顯在與潛在的市場需求，可以快速地把虛擬的高質(zhì)量、低成本的優(yōu)秀產(chǎn)品投放市場，從而獲得巨大的經(jīng)濟效益與社會效益，所以計算機虛擬技術(shù)在機械企業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用，它將向更大的應(yīng)用范圍、更深的應(yīng)用水平方向發(fā)展，也將是今后機械企業(yè)進行技術(shù)改造的潮流與方向。
2 計算機虛擬技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)
從根本上講實施計算機虛擬技術(shù)最重要的是系統(tǒng)的大集成，該技術(shù)的應(yīng)用目的是把全球資源、企業(yè)的內(nèi)部各種人力、物資、資金等各種信息結(jié)合起來，利用計算機軟硬件設(shè)備，建立一個基于計算機系統(tǒng)的虛擬企業(yè)環(huán)境，使企業(yè)成為設(shè)計開發(fā)現(xiàn)代化、管理服務(wù)現(xiàn)代化、組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化、人員素質(zhì)現(xiàn)代化的先進企業(yè)，可以對市場進行快速反應(yīng)，充分、合理地組織、利用企業(yè)資源，在盡量短的時間內(nèi)，制造出高質(zhì)量、低成本的優(yōu)秀產(chǎn)品，以滿足市場的需求。
計算機虛擬技術(shù)涉及到企業(yè)的各個方面，為了敘述方便，將其分為三個部分，分別是計算機虛擬技術(shù)實施的基礎(chǔ)平臺、計算機虛擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、加工中的應(yīng)用以及該技術(shù)在企業(yè)管理、支持系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2.1 計算機虛擬技術(shù)實施的基礎(chǔ)平臺
計算機虛擬技術(shù)實施的基礎(chǔ)平臺包括將全球連接起來的Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部實施的Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和運行各種軟件的計算機、服務(wù)器等硬件設(shè)備等。
Internet系統(tǒng)是覆蓋全球的信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的通訊能力正日益提高。利用該系統(tǒng)，依靠社會力量，充分利用對產(chǎn)品性能有技術(shù)優(yōu)勢的企業(yè)的資源，形成戰(zhàn)略合作伙伴，形成跨地區(qū)的、基于Internet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的虛擬地理位置的企業(yè)集團，可以使機械企業(yè)實現(xiàn)優(yōu)勢互補，揚長避短，從而可以以更低的成本，更短的周期來加工裝配出高質(zhì)量的產(chǎn)品。
在企業(yè)的內(nèi)部，以Internet方式構(gòu)造企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，即Intranet，將各部門、個人聯(lián)系在一起，實現(xiàn)信息的高速傳輸，可極大程度地增強企業(yè)的凝聚力和綜合實力。企業(yè)的數(shù)據(jù)種類繁多、管理困難，因此必須制定統(tǒng)一的標準、利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對企業(yè)的數(shù)據(jù)進行全過程管理。
計算機硬件設(shè)備種類繁多、配置各異，包括UNIX、NOVELL、NT服務(wù)器、UNIX、NT圖形工作站、普通微機、終端以及各種輸出、輸入設(shè)備，由于硬件的發(fā)展較快，因此應(yīng)根據(jù)工作內(nèi)容的不同，以滿足企業(yè)兩到三年的需求確定硬件設(shè)備的種類、配置，以獲得合理的性能價格比。
2.2 計算機虛擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、加工中的應(yīng)用
計算機虛擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、加工中的應(yīng)用極為廣泛，筆者簡要地介紹計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助工藝(CAPP)及計算機輔助制造(CAM)四個方面的應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對產(chǎn)品的外觀美學(xué)要求越來越高。以往在產(chǎn)品的推銷過程中，往往需要制作一系列的產(chǎn)品實物，供用戶選擇。但是，制作產(chǎn)品實物的成本是十分昂貴的，制作出來的產(chǎn)品又不一定能適應(yīng)市場的需求，因此很多國際先進企業(yè)，都已采用計算機虛擬技術(shù)，設(shè)計、構(gòu)造出多種方案的產(chǎn)品模型，即虛擬樣機，提供給用戶，這樣就節(jié)約了產(chǎn)品樣機的制作開銷，也容易符合市場的需求。目前Alias Wavefront軟件是世界上最好的外觀造型軟件。
利用三維設(shè)計軟件進行產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計人員就可利用計算機直觀地確定零件的尺寸、公差、加工工藝，產(chǎn)品的裝配方法，安排工藝流程等，進行三維方式的裝配，檢查零件之間的干涉關(guān)系，進行公差分析等工作。設(shè)計人員設(shè)計時面對的是與實物相似的虛擬產(chǎn)品，而且計算機軟硬件還提供了超越實物的設(shè)計手段，例如設(shè)計人員可以隨心所欲地對產(chǎn)品進行剖切。目前國內(nèi)在二維設(shè)計方面，AutoCAD軟件是應(yīng)用最為廣泛的繪圖軟件。而在三維方面，高檔的設(shè)計軟件包括Pro/Engineer、Ideas、UGII、Catia等，中檔的設(shè)計軟件包括AutoCAD MDT、Solid Work等。
隨著有限元分析、可靠性分析、優(yōu)化設(shè)計等先進的方法、理論逐步成熟，很多商業(yè)計算機輔助分析軟件進入了實用階段。經(jīng)驗表明，利用計算機分析軟件進行產(chǎn)品的各種性能分析，如強度、剛度分析、熱傳遞分析、電磁場分析、沖壓、鍛造、碰撞大變形分析、鑄造分析、各種應(yīng)力場、電磁場、流場的耦合場分析、模態(tài)、振動分析、系統(tǒng)動力學(xué)分析等，能夠從早期模擬、預(yù)測產(chǎn)品的性能，從而可以進行多方案比較，進行系統(tǒng)優(yōu)化，減少潛在質(zhì)量問題，為新設(shè)計產(chǎn)品提供理論依據(jù)，可以減少試驗費用，提高產(chǎn)品的一次試制成功率。目前世界上比較優(yōu)秀的分析軟件主要包括綜合性分析軟件Ideas、Ansys、Nastan、非線性分析軟件Marc、鑄造分析軟件Magma、Procast、沖壓、碰撞軟件Dyna、系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS等。
相對而言，在工藝設(shè)計方面，專門論述虛擬技術(shù)的較少，原因是工藝設(shè)計的工作內(nèi)容在往往被CAD、CAM兩方面的工作所覆蓋，例如裝配工藝設(shè)計，三維設(shè)計軟件可以生成零件的爆炸圖、或生成模擬零件裝配的動畫過程，裝配人員可以直觀地了解裝配的過程;再如加工工藝的確定，在利用CAM軟件進行零件加工代碼編制時，就必須考慮工藝設(shè)計的全過程，因此相對而言，虛擬技術(shù)在這方面的論述較少。但是計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)可以提供工藝的設(shè)計效率、促進企業(yè)各部門之間的協(xié)同工作、提供工藝設(shè)計的質(zhì)量、充分發(fā)揮集團的生產(chǎn)能力，因此它也是企業(yè)應(yīng)用計算機技術(shù)的一個不可缺少的重要組成部分。目前國內(nèi)比較優(yōu)秀的計算機輔助工藝設(shè)計軟件有SIPM軟件等。
計算機輔助制造軟件根據(jù)計算機設(shè)計軟件設(shè)計出的二維或三維數(shù)據(jù)，確定加工工藝，結(jié)合具體的加工設(shè)備，生成加工代碼，可以在計算機上模擬加工的過程，了解加工的刀具軌跡，檢查刀具、夾具、工作件、機床之間的干涉關(guān)系，從而可以取消預(yù)切，得到最佳的加工工藝，縮短生產(chǎn)準備周期，提高加工的質(zhì)量與效率，提高產(chǎn)品零件加工的一次成功率。
2.3 計算機虛擬技術(shù)在企業(yè)管理、支持系統(tǒng)中的應(yīng)用
企業(yè)管理、支持系統(tǒng)的工作內(nèi)容包括營銷、原材料、配件采購、庫存、銷售、發(fā)送、維護、報廢、回收等。利用計算機虛擬技術(shù)，建立企業(yè)信息管理系統(tǒng)，可以根據(jù)市場需求，利用虛擬的產(chǎn)品設(shè)計信息，模擬企業(yè)的運作，對市場進行快速響應(yīng)，從而最大幅度降低各種物料庫存、提高資金周轉(zhuǎn)、加強設(shè)備資源合理利用、提高勞生產(chǎn)率、優(yōu)化新產(chǎn)品的制造成本。目前基于Internet/Intranet系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理或企業(yè)信息管理系統(tǒng)有PTC公司W(wǎng)indchill、SDRC公司的Metaphase、SAP公司的R/3、EDS公司IMAN、Fourth Shift等。
3 計算機虛擬技術(shù)應(yīng)用狀況及產(chǎn)生效益
計算機虛擬技術(shù)在機械企業(yè)中取得了豐碩的應(yīng)用成果，它為企業(yè)樹立了科技形象，爭取了市場，解決了產(chǎn)品中存在的問題，為創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計提供了高科技的手段，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益與社會效益。筆者在此略舉數(shù)例。
99年5月，戚墅堰機車車輛廠與浦鎮(zhèn)車輛廠承接了鐵道部科技司的180公里準高速內(nèi)燃動車組研發(fā)項目，該動車組是新一代城際交通列車，采用流線型設(shè)計，為了得到完美的動車組油漆方案，在動車組設(shè)計初期，利用Alias!Wavefront軟件進行了油漆方案設(shè)計，形成了動車組效果圖，受到用戶單位的高度好評，預(yù)計產(chǎn)品將于10月份在滬杭線首發(fā)。
98年4月，戚墅堰機車車輛廠為美國巴博爾轉(zhuǎn)向架國際公司生產(chǎn)搖枕、側(cè)架。由于外方對產(chǎn)品有重量限制，因此為了預(yù)測產(chǎn)品在壁厚公差范圍內(nèi)的重量能否滿足外方的要求，工廠利用Ideas軟件對搖枕、側(cè)架進行三維實體造型，利用軟件計算出模型重量，得出外方所給予的重量限制裕度較大，產(chǎn)品可以滿足其要求的結(jié)論，從而為工廠進行該項商務(wù)合作提供了理論依據(jù);另外計算出產(chǎn)品重量，也就可以計算原材料的消耗量，從而為產(chǎn)品的成本核算提供一定的原始數(shù)據(jù)。目前這兩項產(chǎn)品已為工廠創(chuàng)匯數(shù)百萬美元。
98年7月，戚墅堰機車車輛廠參加新加坡凹底平車、長平車招標，招標要求提供符合DCPS規(guī)范要求的車體鋼結(jié)構(gòu)靜強度有限元分析報告，工廠利用Ideas軟件對這兩種產(chǎn)品按DCPS規(guī)范進行了靜強度分析，考慮了多種載荷的不同組合工況，計算后發(fā)現(xiàn)長平車基本滿足要求，而凹底平車不能滿足DCPS規(guī)范要求，存在設(shè)計缺陷，經(jīng)改進車體結(jié)構(gòu)，重復(fù)計算，最后得出了滿足強度要求的車體結(jié)構(gòu)，提交出分析報告。這次計算一方面說明了國際市場對有限元分析的重視，另一方面也確實提高了工廠產(chǎn)品的質(zhì)量，避免了隱患。目前這兩個產(chǎn)品的制造已經(jīng)完成。
98年12月，戚墅堰機車車輛廠利用Ansys軟件對目前國內(nèi)單機功率最大的內(nèi)燃機車—東風(fēng)8B型內(nèi)燃機車車體鋼結(jié)構(gòu)進行靜強度分析，通過對模型施加垂向、縱向壓縮、拉伸、組合等多種載荷，模擬靜載、牽引、救援等工況進行計算，計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)最危險部位雖然應(yīng)力幅值有一定差異，但都在屈服極限之內(nèi)，而位置兩者之間是基本一致的，而車體側(cè)梁撓度也是基本一致的，這就驗證了有限元分析方法的合理性，于是工廠在研發(fā)180公里準高速內(nèi)燃動車組時，就計劃僅利用軟件進行靜強度分析，取消真實的靜強度試驗，從而可以節(jié)省近二十萬的試驗費用。
99年1月到3月，戚墅堰機車車輛廠與奧地利AVL公司進行新一代16V280ZJB型柴油機合作開發(fā)，該柴油機開發(fā)成功，將是國內(nèi)單機功率最大的機車柴油機，為了指導(dǎo)柴油機機體模具的制作，利用Pro/Engineer軟件進行了三維實體建模、模具生成。從效果來看，由于工藝師可直觀地在計算機中了解機體、模具的三維模型，極大程度地提高了模具生成的效率與質(zhì)量。另外通過這次建模工作，準確預(yù)測了鑄造該機體毛坯所需的鋼水重量。
徑向轉(zhuǎn)向架是為了提高機車曲線通過能力、粘著系數(shù)，以運用于山區(qū)小曲率半徑、提高機車牽引能力的新一代轉(zhuǎn)向架，是國際新型機車開發(fā)的一個發(fā)展方向，國內(nèi)目前尚無產(chǎn)品問世。99年4月，戚墅堰機車車輛廠利用Adams軟件進行徑向轉(zhuǎn)向架機構(gòu)分析，得出了曲率半徑與轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)角關(guān)系，為產(chǎn)品試制奠定了一定理論基礎(chǔ)。
又如鐵道部機車車輛工業(yè)總公司提出開發(fā)“開發(fā)產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、材料、工時、資金三大定額管理系統(tǒng)”的要求，戚墅堰機車車輛廠歷時一年開發(fā)完成這項工作，該系統(tǒng)以產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為應(yīng)用環(huán)境，形成材料、工時、資金等定額標準,可及時統(tǒng)計消耗數(shù)據(jù)，從而可以加強企業(yè)管理，降低產(chǎn)品成本，為市場產(chǎn)品快速定價提供可靠數(shù)據(jù)。
4 計算機虛擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景
隨著社會的發(fā)展，新的計算機硬件的速度、存儲空間還將高速發(fā)展，Internet網(wǎng)絡(luò)的信息通訊流量也將越來越大，全球的信息更加豐富，企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通訊能力也將越來越強，軟硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能價格比越來越高，使中小企業(yè)也完全能承受，所以預(yù)計計算機虛擬技術(shù)的應(yīng)用將向更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展。
各種先進的現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，如虛擬產(chǎn)品、輔助分析、優(yōu)化分析、動態(tài)模擬、數(shù)字仿真、人工智能、專家系統(tǒng)、可靠性等等，經(jīng)過長期的應(yīng)用經(jīng)驗積累、數(shù)據(jù)積累，將日益成熟，進入實用推廣階段。另一方面，為了解決新產(chǎn)品設(shè)計中的各種疑難問題，克服現(xiàn)有產(chǎn)品中的缺陷，也必然將誕生出多種先進的設(shè)計理論與方法。
如前所述，企業(yè)全面開展計算機虛擬技術(shù)最重要的是系統(tǒng)的大集成，隨著技術(shù)的發(fā)展，世界、企業(yè)信息量越來越多，企業(yè)內(nèi)部的管理、設(shè)計、工藝、加工、測試、質(zhì)量等方面的信息集成能力將越來越強，企業(yè)的各種系統(tǒng)向著高柔性，系統(tǒng)化、集成化、智能化、實用化的方向發(fā)展，企業(yè)與企業(yè)之間的交流合作也越來越多，形成社會化大分工，形成戰(zhàn)略性的合作伙伴關(guān)系，企業(yè)向高柔性、高集成性方向發(fā)展，而機械產(chǎn)品的質(zhì)量、種類也將發(fā)生質(zhì)的飛躍。
5 計算機虛擬技術(shù)應(yīng)用實施過程中需要注意的問題
計算機虛擬技術(shù)的應(yīng)用必須緊密圍繞企業(yè)發(fā)展的目標展開，根據(jù)企業(yè)自身的產(chǎn)品特點、組織結(jié)構(gòu)、人員素質(zhì)、設(shè)備生產(chǎn)能力、資金狀況等具體情況，按照計算機集成制造系統(tǒng)、并行工程、敏捷制造等先進思想構(gòu)造系統(tǒng)的框架，著眼于企業(yè)的長遠目標，制定一個相對長期的發(fā)展規(guī)劃，再立足于當前的基礎(chǔ)與近期迫切需要，選擇一些技術(shù)成熟、易于實現(xiàn)、切實可行的項目，制定確實可行的分步實施的項目計劃，從而保證項目實施的實用性與可擴展性。這樣企業(yè)可以利用有限的投入中獲得了較大的經(jīng)濟、社會效益，也有利于計算機虛擬技術(shù)的逐步展開。
計算機虛擬技術(shù)的應(yīng)用與企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整密不可分，計算機虛擬技術(shù)不再是簡單的工具，而是一種嶄新的企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)體系、企業(yè)管理體系，企業(yè)要想全面發(fā)揮其優(yōu)越性，必然需要克服新知識、新技術(shù)與現(xiàn)有企業(yè)管理模式、人的思想等方面的矛盾，適當調(diào)整企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)，調(diào)整企業(yè)的運作流程，使之與先進的技術(shù)相適應(yīng)。
計算機虛擬技術(shù)是一種復(fù)合性的科學(xué)，它不僅涉及其具體應(yīng)用領(lǐng)域，如機械、加工、工藝等，還涉及計算機、數(shù)學(xué)、力學(xué)、圖形學(xué)等眾多學(xué)科，知識面廣、系統(tǒng)復(fù)雜、專業(yè)水平要求高，實施周期長，需要大量的、穩(wěn)定的、高水平的復(fù)合性人才。相對而言，人才流失可能是國有大中型企業(yè)最頭疼的問題之一。因此迫切需要企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)，正確理解計算機虛擬技術(shù)的應(yīng)用重要性，采用思想教育和合理的技術(shù)、經(jīng)濟政策相結(jié)合的方式留住人才，對他們進行各種層次的培訓(xùn)，以建立一支高水平的、穩(wěn)定的技術(shù)隊伍。
6 結(jié)語
機械行業(yè)是國家的基礎(chǔ)工業(yè)、也是傳統(tǒng)工業(yè)，如果不積極采用先進的計算機技術(shù)，虛擬技術(shù)、各種現(xiàn)代設(shè)計理論與方法來改造企業(yè)的組織形式、管理方法、產(chǎn)品研發(fā)過程，今后的機械工業(yè)將成為夕陽工業(yè)，企業(yè)也將失去生存的機會。但是，我們也應(yīng)該看到，國內(nèi)機械企業(yè)目前可以直接利用已經(jīng)日趨成熟的先進計算機技術(shù)，從而可以避免發(fā)達國家在技術(shù)成長階段走過的一些彎路;同時計算機虛擬技術(shù)的投入已進入實用階段、計算機軟硬件設(shè)備的性能價格比日益提高，已不再需要巨大的投資，國內(nèi)機械企業(yè)利用有限的資金，以最佳的性能比合理購置計算機軟硬件設(shè)備、進行技術(shù)改造，與國際先進企業(yè)之間的差距也會縮短得很小，從而使企業(yè)保持旺盛的生命力，開發(fā)出高質(zhì)量的優(yōu)秀產(chǎn)品，在國際大市場這個舞臺上嶄露頭角。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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