对运动模拟软件提升质量及效率的探讨

　　本文探讨了运动模拟软件提升质量及效率的相关内容。

　　机械可以实现各种运动，但为何机械设计却做不到呢?

　　尽管 3D 计算机辅助设计 (CAD) 已在机械设计行业站稳了脚跟，但机械设计在运动模拟和分析的应用上却往往落后于飞机和汽车工业。即便说来已不新鲜，这种落后却有一个合乎逻辑的原因。为解决自身产品所特有的一些问题，汽车和飞机制造公司充当了应用运动模拟技术的急先锋。轿车、卡车和飞机的生产规模大、复杂性高，而汽车和飞机制造行业还要面对严格的政府监管，这促使汽车和飞机制造行业开发运动模拟技术，以将它们的 CAD 技术延伸到设计流程的更高逻辑阶段，从而在此过程中节约数百万美元的原型制造成本。

　　因此，汽车和飞机制造行业率先采用运动模拟技术有着充分的理由，但其它行业不仿效做法的理由可就有些奇怪了。如今，在家用电器、医疗设备和机床设计中应用运动模拟已不存在任何技术、成本或复杂性上的障碍。

　　在过去的五到七年中，运动模拟和分析软件取得了稳步发展，较之大多数工程师所熟悉的上一代产品，在价格、功能和易用性上都具有优势。将其作为完全集成的设计验证要素在产品开发流程的每一级都发挥作用的条件已经成熟。高质量运动模拟和分析软件目前的价格低于桌面 3D CAD 应用程序，非常便于第一线工程师使用，从使用效果上看，可以达到经过专门培训的分析人员在使用上一代产品时的最好水平。最终结果是，机械设计人员在设计流程的各个环节均可实现更高的精确度。在设计流程的各个环节更广泛地应用运动模拟软件可以消除一些错误，而在原型制造阶段纠正这些错误时需要付出高昂的代价，还可以缩短设计周期和投入市场时间。那些仍然认为运动模拟过于复杂和耗时而拒绝采用它的工程师已经落伍了。运动模拟技术上的进步最终将实现无缝设计环境，在这样的环境中，高级数据模型的创建和测试同时进行，就好像它们是实际对象一样。较之依赖实际原型的开发，在这些环境中，产品从设计、制造直至投入市场的周期更短，成本也更低。

　　模拟与动画的比较

　　如今，大多数机械设计人员都会使用某种形式的动画技术，这些技术内嵌在他们的 3D 设计应用程序中。这些工具显示运动装配体的啮合情况并反映一些基本的干涉情况，但它们缺少完整的运动分析，因为它们没有将各种装配体零部件的质量考虑在内。它们显示了运动情况，但没有反映决定装配体在作为实际对象时是否可以运作的基础机理。

　　真正的运动模拟使用设计主体的物理基础(包括质量)来精确地描绘它的运动情况。动画程序的模拟运动只是以几何位置为基础，无法对重力和摩擦力这样的力加以考虑，而这些力可以预测装配体在实际环境中的运作情况。例如，动画程序可以描绘机械中的一些基本运动情况，却无法模拟机械中的齿轮、凸轮、闩锁和力。运动模拟还可以帮助对机械正常运转所需的启动器或马达做出估计。

　　这种能力解决了工程师所面对的最严峻挑战之一，即设法了解要确定设计主体在实际环境中的运作情况，需要对设计主体的哪些部件施加多大的试验负载。这种模拟在工程师的 3D 实体建模环境中进行。工程师在进行实际试验时能够获得哪些数据，运动模拟便可以为他们提供哪些数据，而且不必再花费时间和金钱来制造原型。当工程师改变对装配体施加的负载时，"假设"分析可以为其提供即时反馈来反映某些情况：例如，使用较粗的弹簧产生的力过大，因此应减小弹簧的粗度。以这些结果为基础修改 3D 实体模型时，几乎不会增加时间或成本，并可减少使设计主体符合成品要求所需制造的原型数量。如果没有这种功能，公司将不得不建立实际原型，为其连接上各种传感器，运行它来产生数据，然后再对这些数据进行分析。如果分析在此时揭示了某些缺陷，则意味着必须重新切割模具。显然，这样做的成本要比在模拟环境中进行调整高得多。

　　这些功能并不是什么新功能。如今，公路上行驶的、天空中飞行的每个交通工具中的每个装配体都经过大强度的运动分析，而且早在只需为一种原型切割一个模具前便是如此。相对而言，称得上新的是这种技术的可获得性。直到大约七年前，高级运动模拟软件的价格还高达数万美元，而且只能在高性能的工作站上运行。如今，每套软件的价格只有几千美元，而且在普通桌面计算机上就可以运行。除了可获得性不断得到提升外，运动模拟软件在其历来见长的易用性上也更进一步。桌面计算机处理能力的提高和更为直观的用户界面将设置和运行运动模拟所需的时间从数小时缩短到只有几分钟。在过去，工程师需要花费几个小时来设置模拟，而运行模拟则要持续一整夜;现在，他们可以在一天内完成模拟的设置和运行。

　　这种集高速度、低成本、简易性和精确度于一身的优点使得各公司可以在设计周期的各个环节执行运动分析，从而实现了设计和分析的同步进行。在使用前几代的产品时，为适应漫长的测试期，必须降低设计工作的速度或停止设计工作。尽管这种测试模式可以在原型制造阶段前发现问题，但与在设计流程中进行全程测试相比，在成本效益上仍有差距。随着设计的进行，问题会混杂在一起。与在设计周期早期发现的问题相比，在设计周期晚期发现的问题的"连锁反应"更大，因为它们会影响相关的装配体。

　　结合机械设计的三大领域

　　机械设计以三项功能为中心：创建设计主体、对其结构进行测试和对其运作进行测试。实现这三项功能的技术分别是 3D 机械设计软件、采用有限元分析 (FEA) 的设计验证软件和运动模拟软件。如今，3D 机械设计和 FEA 软件往往集成在一个软件包内，运动模拟仍被看做是附加软件包。在五年内，使用集成的 3D 设计、FEA 及运动模拟环境的公司就会看到市场份额的增加和生产成本的降低。由于成本和复杂性因素不复存在，并且机械设计公司已经拥有了 3D 机械设计和 FEA 能力，它们没有合理的理由不将运动模拟和分析整合到其设计流程中。如果机械设计公司客观地看待运动分析，而不是只将它们当作漂亮的图片，则其具有的成本和投入市场时间优势便具备了令人无法忽视的说服力。