江 峰，梁小鸥

1.江达发索科技（上海）有限公司，广东 广州 510630

2.广东工程职业技术学院，广东 广州 510520

在传统企业的生产制造中，制作实物样机是必不可少的环节。在产品经历企划、概念设计、详细设计、设计评审、工程评审等环节后，为了产品的顺利量产，通常需要制作实物样机，对设计产品的可靠性、可装配型、寿命疲劳等性能或功能进行相关的实验验证。对于复杂系统的产品，例如汽车、工程机械、大型设备等产品，实物样机的验证过程通常都在3次或以上。企业通过引入数字样机，能显著减少实物样机的验证次数，既节约了设计成本，又缩减了产品的设计验证周期，加快了产品的推出速度。

1 数字样机概述

数字样机是伴随CAD、CAE、CAM等计算机辅助软件的应用，在21世纪初期被提出，并在近年来被广泛运用的一种虚拟数据概念。另外，数字样机是通过CAD软件在计算机环境中创建的实体，其结构、功能等特征与物理样机一致。

CAD、CAE、CAM软件广泛运用于各个行业的设计部门、仿真分析部门、品质保证部门、工程技术部门等与生产直接相关的部门。软件中流通的数据主要包括三维模型、二维工程图纸、物料表等。在大多数企业中，三维模型基本只包括产品的外形尺寸数据，着重于产品几何属性的表达，其他材料、密度、尺寸公差、零件与组件结构关系等信息则在二维工程图纸和物料表中体现。

《机械产品数字样机通用要求》（GB/T 26100—2010）中将数字样机的定义为对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。产品的数字样机形成于产品设计阶段，并将应用于产品的全生命周期。根据上述概念，数字样机源于CAD软件的三维模型数据，又将其功能进行了极大的拓展，使之可以适用于产品的全生命周期，数字样机的运用可以统一企业中的流通数据，为企业的设计评审提供可靠数据的同时，使企业中所有员工都能通过数字样机直观地感受到数字化产品的外观构造，并在工作中运用产品的各项参数，可多方面提高工作效率，是一种先进的生产技术。

2 数字样机的运用现状

在很多企业中，虽然还没有明确出现数字样机的概念，但是已经进行了数字样机的相关初步运用，例如针对关键零部件进行简单的强度分析，以达到关键零部件或组件结构的最优化设计的目的；又如针对简单的系统进行装配干涉分析，以便提前确认产品的干涉问题等。通过上述应用，可以使企业在制作实物样机前就检查出相关问题并加以改善。

汽车行业中的重点龙头企业——宝马、戴姆勒-克莱斯勒、本田、丰田、三菱等老牌主机厂商，结合企业多年来在行业综合技术力的累积，通过对设计软件的深度定制和二次开发，已经开始系统化地推广数字样机技术。这些软件就包括达索公司的CATIA、SolidWorks、ABAQUS；PTC公司的ProE；Ansys公司的ANSYS等。

汽车整车的开发过程中，通过对数字样机技术的运用，小到后视镜运动模拟、雨刮器运动校正、车门线束运动干涉检查等，大到发动机变速箱震动模拟、汽车底盘震动模拟、整车装配性验证、行驶稳定性验证、噪声验证、电器系统验证等，都可以在对应软件的仿真分析中得到相对可靠的评估数据。工程师根据这些评估数据再去修正原始的设计数据，使得最终产品的可靠性更上一个台阶，避免在后期实物样机验证环节出现问题。

运用数字样机可以帮助企业缩短产品的开发周期。例如车企开发一款全新的车型，一般需要3～5年的时间，其中反复多次的实物样机制作验证过程通常会占一半以上的时间。使用数字样机技术验证设计数据后，可以有效减少实物样机的验证次数，产品的开发周期可缩减到2～3年的时间。这样不仅节约了产品的研发成本，降低了因开发时间过长而导致的外观设计过时的风险以及车型外观泄密的风险，还能给企业带来了十分明显的经济效益。

3 数字样机在现代企业生产中的运用难点

数字样机技术的优点是显而易见的，但是该技术的应用目前还存在以下几个难点。

3.1 建立标准的材料数据库

对于数字样机的运用，目前主要还是集中在设计过程中的仿真分析环节。在仿真分析前期，工程师需要定义各个零部件的材料、密度、重量等相关物理参数，这些参数一般都是来自软件自带的数据库或行业标准、国家标准等公开的数据。使用这些数据得到的分析结果可满足定性的参考需求，例如可以计算出单个零部件受力后的应力分布情况、变形量最大的部位等。但如果需要进行定量的参考，仅靠这些对外公开的一般标准数据，是无法得到理想结果的。例如同是钣金原材料的一般普通级冷轧钢板，该材料在我国的牌号为Q195～Q215A，在日本的牌号为SPCC，在德国的牌号为ST12，不同国家的材料其公开的标准数据并不统一，在性能上也会有所差异，同一国家不同企业生产出来的材料也会有些许区别。

如果企业想使用某一材料在复杂系统中得到可供定量分析的可靠数据，就必须长期对不同批次、不同厂家的材料进行相关参数的测定、汇总和管理，最终建立起符合企业现状的标准数据库。同时，在之后的仿真分析中，将实物样机的实验结果与仿真分析结果进行对照比较，不断优化这些参数，最终达到数字样机的仿真分析在一定程度上替代实物样机分析结果的目的。

3.2 面对复杂系统中的技术储备

在仿真分析中，有诸多可变参数，包括受力情况、约束情况、表面摩擦、运动轨迹、运动速率等，需要工程师根据实际情况进行判断设定，不同的设定会给分析结果带来一定的影响。在复杂的系统环境中，此类需要设定的参数更是不计其数。因此，除了建立标准的材料数据库，企业还需要将一些常见场景的参数输入数据库进行标准化管理，或者与软件厂商共同进行深度定制和二次开发，将这些定义操作直接集成在软件中实现标准化管理。

对于无法标准化的场景，企业进行相关经验技术积累并将其转化为技术资料的同时，还要重视相应人才的储备、培养。最终使企业的技术资料的储备日趋完善，其技术人员也能在大量的实践工作中，储备丰富的经验，为数字样机的运用提供更加坚实的技术基础。

3.3 时间、成本问题

企业为了导入数字样机技术，需要以下几个方面的成本投入：一是CAD、CAE、CAM软件、硬件的购入和维护成本；二是建立数据库所需要的服务器、网络以及场地的费用；三是针对CAD、CAE、CAM软件进行深入整合、二次开发的费用；四是相关人才录用、培养的费用。上述费用对于企业而言是一笔不少的支出，尤其是建立数据库和软件的二次开发，这两方面都需要持续地投入成本，同时又无法在短期内产生明显的经济效益，因此企业需要结合自身的长期发展方针，提前做好规划布局。

对于经费有限的中小型企业，建议先就经济效益更明显的软件硬件设施和人才方面进行规划投入，对于数据库的建立和软件的二次开发方面，可等到市场上成熟的龙头企业有解决方案后再加以引进，这样既可节省从零开发的时间、成本，又可实现与龙头企业数据信息的无缝对接。

4 数字样机前景展望

数字样机的本质是在现有图纸数据中，追加各种功能或性能的参数，使其在后续的设计、验证、生产过程中发挥应有的作用。随着科技的发展，企业数字化、智能化的程度也将越来越高，数字样机中包含的参数信息也必将得到进一步拓展。除了产品的物理参数或工程参数，今后还会增加产品结构中的从属关系、产品组装工艺、产品成本、产品供应商、功能相似产品的归类等信息。实际上，由达索公司开发的最新的3DEXPERIENCE V6平台，已经开始引入这些概念并逐步向汽车、船舶、飞机等行业推广。

数字样机信息的整合使得原本在企业中相对独立的生产部门与非生产部门的信息流被整合。数字样机不仅可以在设计、评审、工程工艺、制造、品质、仓储等与生产直接相关环节发挥作用，在非生产直接相关的部门，如采购、销售、项目管理、产品企划、售后等，也可以通过运用数字样机提高工作效率。采购部门可通过数字样机中产品成本的相关信息，更加精准地判断供应商的报价是否合理；销售部门可通过产品的成本信息，更快、更准地为客户提供产品报价；产品企划部门在产品企划初步阶段就可以得到大量的功能相似产品的数据，为产品企划提供更多的方案。

当然，面对日趋庞大的数字样机信息数据，当前主要通过个人电脑或工作站进行处理的方式存在很大的局限性。随着我国云计算、5G等信息数字化技术的发展，数字样机信息数据的云端处理将成为主流。大型跨国企业可以通过搭建属于自己的私有云来进行信息的全球布局和统一管理。中小型企业可以选择租用公有云的方式来实现相关功能，这样既可避免前期投入过大的成本，又可降低企业的运行维护成本，其信息数据也可更好地实现和上下游企业的无缝对接。

5 结束语

2021年4月15日为加快推动智能制造发展，工业和信息化部会同有关部门起草了《“十四五”智能制造发展规划》（征求意见稿），从发展路径、具体目标和重点任务等方面做出具体规划。征求意见稿提出，到2025年，规模以上制造业企业基本普及数字化，重点行业骨干企业初步实现智能转型；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化，骨干企业基本实现智能转型。相信随着该规划的正式公布，中国制造业企业的数字化、智能化进度将进一步加快。随着企业科学技术的进步、各类软件功能的完善、计算机运算能力的提升、云计算、5G技术的普及，数字样机的运用也将更上一个台阶。数据样机技术将涵盖从单一结构到整体系统全过程的分析验证，将打通企业全生命周期的所有环节，为我国企业数字化的普及、智能化的转型提供坚实的技术基础和支持。