本文探討了運(yùn)動(dòng)模擬軟件提升質(zhì)量及效率的相關(guān)內(nèi)容。

　　機(jī)械可以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)，但為何機(jī)械設(shè)計(jì)卻做不到呢?

　　盡管 3D 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 已在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)站穩(wěn)了腳跟，但機(jī)械設(shè)計(jì)在運(yùn)動(dòng)模擬和分析的應(yīng)用上卻往往落后于飛機(jī)和汽車工業(yè)。即便說來已不新鮮，這種落后卻有一個(gè)合乎邏輯的原因。為解決自身產(chǎn)品所特有的一些問題，汽車和飛機(jī)制造公司充當(dāng)了應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)的急先鋒。轎車、卡車和飛機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模大、復(fù)雜性高，而汽車和飛機(jī)制造行業(yè)還要面對(duì)嚴(yán)格的政府監(jiān)管，這促使汽車和飛機(jī)制造行業(yè)開發(fā)運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)，以將它們的 CAD 技術(shù)延伸到設(shè)計(jì)流程的更高邏輯階段，從而在此過程中節(jié)約數(shù)百萬美元的原型制造成本。

　　因此，汽車和飛機(jī)制造行業(yè)率先采用運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)有著充分的理由，但其它行業(yè)不仿效做法的理由可就有些奇怪了。如今，在家用電器、醫(yī)療設(shè)備和機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬已不存在任何技術(shù)、成本或復(fù)雜性上的障礙。

　　在過去的五到七年中，運(yùn)動(dòng)模擬和分析軟件取得了穩(wěn)步發(fā)展，較之大多數(shù)工程師所熟悉的上一代產(chǎn)品，在價(jià)格、功能和易用性上都具有優(yōu)勢。將其作為完全集成的設(shè)計(jì)驗(yàn)證要素在產(chǎn)品開發(fā)流程的每一級(jí)都發(fā)揮作用的條件已經(jīng)成熟。高質(zhì)量運(yùn)動(dòng)模擬和分析軟件目前的價(jià)格低于桌面 3D CAD 應(yīng)用程序，非常便于第一線工程師使用，從使用效果上看，可以達(dá)到經(jīng)過專門培訓(xùn)的分析人員在使用上一代產(chǎn)品時(shí)的最好水平。最終結(jié)果是，機(jī)械設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)均可實(shí)現(xiàn)更高的精確度。在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)更廣泛地應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬軟件可以消除一些錯(cuò)誤，而在原型制造階段糾正這些錯(cuò)誤時(shí)需要付出高昂的代價(jià)，還可以縮短設(shè)計(jì)周期和投入市場時(shí)間。那些仍然認(rèn)為運(yùn)動(dòng)模擬過于復(fù)雜和耗時(shí)而拒絕采用它的工程師已經(jīng)落伍了。運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)上的進(jìn)步最終將實(shí)現(xiàn)無縫設(shè)計(jì)環(huán)境，在這樣的環(huán)境中，高級(jí)數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建和測試同時(shí)進(jìn)行，就好像它們是實(shí)際對(duì)象一樣。較之依賴實(shí)際原型的開發(fā)，在這些環(huán)境中，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造直至投入市場的周期更短，成本也更低。

　　模擬與動(dòng)畫的比較

　　如今，大多數(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)人員都會(huì)使用某種形式的動(dòng)畫技術(shù)，這些技術(shù)內(nèi)嵌在他們的 3D 設(shè)計(jì)應(yīng)用程序中。這些工具顯示運(yùn)動(dòng)裝配體的嚙合情況并反映一些基本的干涉情況，但它們?nèi)鄙偻暾倪\(yùn)動(dòng)分析，因?yàn)樗鼈儧]有將各種裝配體零部件的質(zhì)量考慮在內(nèi)。它們顯示了運(yùn)動(dòng)情況，但沒有反映決定裝配體在作為實(shí)際對(duì)象時(shí)是否可以運(yùn)作的基礎(chǔ)機(jī)理。

　　真正的運(yùn)動(dòng)模擬使用設(shè)計(jì)主體的物理基礎(chǔ)(包括質(zhì)量)來精確地描繪它的運(yùn)動(dòng)情況。動(dòng)畫程序的模擬運(yùn)動(dòng)只是以幾何位置為基礎(chǔ)，無法對(duì)重力和摩擦力這樣的力加以考慮，而這些力可以預(yù)測裝配體在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)作情況。例如，動(dòng)畫程序可以描繪機(jī)械中的一些基本運(yùn)動(dòng)情況，卻無法模擬機(jī)械中的齒輪、凸輪、閂鎖和力。運(yùn)動(dòng)模擬還可以幫助對(duì)機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的啟動(dòng)器或馬達(dá)做出估計(jì)。

　　這種能力解決了工程師所面對(duì)的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，即設(shè)法了解要確定設(shè)計(jì)主體在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)作情況，需要對(duì)設(shè)計(jì)主體的哪些部件施加多大的試驗(yàn)負(fù)載。這種模擬在工程師的 3D 實(shí)體建模環(huán)境中進(jìn)行。工程師在進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)時(shí)能夠獲得哪些數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)模擬便可以為他們提供哪些數(shù)據(jù)，而且不必再花費(fèi)時(shí)間和金錢來制造原型。當(dāng)工程師改變對(duì)裝配體施加的負(fù)載時(shí)，"假設(shè)"分析可以為其提供即時(shí)反饋來反映某些情況：例如，使用較粗的彈簧產(chǎn)生的力過大，因此應(yīng)減小彈簧的粗度。以這些結(jié)果為基礎(chǔ)修改 3D 實(shí)體模型時(shí)，幾乎不會(huì)增加時(shí)間或成本，并可減少使設(shè)計(jì)主體符合成品要求所需制造的原型數(shù)量。如果沒有這種功能，公司將不得不建立實(shí)際原型，為其連接上各種傳感器，運(yùn)行它來產(chǎn)生數(shù)據(jù)，然后再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果分析在此時(shí)揭示了某些缺陷，則意味著必須重新切割模具。顯然，這樣做的成本要比在模擬環(huán)境中進(jìn)行調(diào)整高得多。

　　這些功能并不是什么新功能。如今，公路上行駛的、天空中飛行的每個(gè)交通工具中的每個(gè)裝配體都經(jīng)過大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)分析，而且早在只需為一種原型切割一個(gè)模具前便是如此。相對(duì)而言，稱得上新的是這種技術(shù)的可獲得性。直到大約七年前，高級(jí)運(yùn)動(dòng)模擬軟件的價(jià)格還高達(dá)數(shù)萬美元，而且只能在高性能的工作站上運(yùn)行。如今，每套軟件的價(jià)格只有幾千美元，而且在普通桌面計(jì)算機(jī)上就可以運(yùn)行。除了可獲得性不斷得到提升外，運(yùn)動(dòng)模擬軟件在其歷來見長的易用性上也更進(jìn)一步。桌面計(jì)算機(jī)處理能力的提高和更為直觀的用戶界面將設(shè)置和運(yùn)行運(yùn)動(dòng)模擬所需的時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短到只有幾分鐘。在過去，工程師需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)來設(shè)置模擬，而運(yùn)行模擬則要持續(xù)一整夜;現(xiàn)在，他們可以在一天內(nèi)完成模擬的設(shè)置和運(yùn)行。

　　這種集高速度、低成本、簡易性和精確度于一身的優(yōu)點(diǎn)使得各公司可以在設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)分析，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和分析的同步進(jìn)行。在使用前幾代的產(chǎn)品時(shí)，為適應(yīng)漫長的測試期，必須降低設(shè)計(jì)工作的速度或停止設(shè)計(jì)工作。盡管這種測試模式可以在原型制造階段前發(fā)現(xiàn)問題，但與在設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行全程測試相比，在成本效益上仍有差距。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，問題會(huì)混雜在一起。與在設(shè)計(jì)周期早期發(fā)現(xiàn)的問題相比，在設(shè)計(jì)周期晚期發(fā)現(xiàn)的問題的"連鎖反應(yīng)"更大，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響相關(guān)的裝配體。

　　結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的三大領(lǐng)域

　　機(jī)械設(shè)計(jì)以三項(xiàng)功能為中心：創(chuàng)建設(shè)計(jì)主體、對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試和對(duì)其運(yùn)作進(jìn)行測試。實(shí)現(xiàn)這三項(xiàng)功能的技術(shù)分別是 3D 機(jī)械設(shè)計(jì)軟件、采用有限元分析 (FEA) 的設(shè)計(jì)驗(yàn)證軟件和運(yùn)動(dòng)模擬軟件。如今，3D 機(jī)械設(shè)計(jì)和 FEA 軟件往往集成在一個(gè)軟件包內(nèi)，運(yùn)動(dòng)模擬仍被看做是附加軟件包。在五年內(nèi)，使用集成的 3D 設(shè)計(jì)、FEA 及運(yùn)動(dòng)模擬環(huán)境的公司就會(huì)看到市場份額的增加和生產(chǎn)成本的降低。由于成本和復(fù)雜性因素不復(fù)存在，并且機(jī)械設(shè)計(jì)公司已經(jīng)擁有了 3D 機(jī)械設(shè)計(jì)和 FEA 能力，它們沒有合理的理由不將運(yùn)動(dòng)模擬和分析整合到其設(shè)計(jì)流程中。如果機(jī)械設(shè)計(jì)公司客觀地看待運(yùn)動(dòng)分析，而不是只將它們當(dāng)作漂亮的圖片，則其具有的成本和投入市場時(shí)間優(yōu)勢便具備了令人無法忽視的說服力。