1先進制造與工程仿真技術2§1.1制造與制造系統(tǒng)概述§1.2先進制造技術的提出和發(fā)展 §1.3工程仿真技術的提出和發(fā)展緒論3教學要求：掌握先進制造技術的內涵、技術構成、體系結構、分類。了解先進制造技術產生的背景與發(fā)展趨勢。了解先進制造技術的發(fā)展背景、相關工業(yè)發(fā)達國家制造業(yè)的發(fā)展狀況，以及我國先進制造技術領域在國際上的地位與發(fā)達國家之間的差距。了解工程仿真技術的概念、特點、作用和現(xiàn)狀。4航空航天工業(yè)是戰(zhàn)略性工業(yè)，也是高新技術最為富集的領域，可以體現(xiàn)出一個國家的科學技術發(fā)展水平的高低。新一代飛機普遍采用由大型整塊毛坯直接“掏空”加工而成的具有復雜槽腔、筋條、凸臺和減輕孔等特征的整體結構件，如整體框、梁、蜂窩等零件，如圖1-1、1-2所示。章節(jié)引例圖1-1某飛機整體隔框類零件圖1-2某飛機整體蜂窩類零件5與傳統(tǒng)的鉚接和螺栓連接的飛機組合結構件相比，采用整體結構設計的優(yōu)點在于可以使飛機機體零件數(shù)量大大減少，縮短了零件制造周期；減輕了飛機裝配工作量；提高了飛機的裝配協(xié)調性，減少鉚接零件的同時減少了鉚接裝配變形；飛機機體結構效率成倍提高。例如：某飛機的鋁-鈦合金整體結構的機翼與其鋁合金鉚接結構機翼相比，結構效率提高了3倍，抗疲勞能力提高了4~6倍，大幅度地提高了機身壽命和可靠性。61.1制造與制造系統(tǒng)概述1.1.1制造與制造技術

制造是人類按照所需目的，運用主觀掌握的知識和技能，借助于手工或客觀可以利用的物質工具，采用有效的方法，將原材料，轉化成最終物質產品，并投放市場的全過程。

制造分為狹義的制造和廣義的制造。在產品生產中，使原材料轉化為產品過程所施行的各種手段的總和，稱為制造技術。

傳統(tǒng)的制造技術主要由設計技術、制造工藝與裝配技術和生產組織與管理技術三個部分構成。71.1.2制造系統(tǒng)制造系統(tǒng)是指制造過程及其所涉及的硬件、軟件和人員組成的一個將制造資源轉變?yōu)楫a品的有機整體。制造系統(tǒng)涉及產品生命周期，包括市場分析、產品設計、工藝規(guī)劃、加工過程、裝配、運輸、產品銷售、售后服務及回收處理等的全過程或部分環(huán)節(jié)。制造系統(tǒng)特性包含了結構特性、轉變特性和程序特性。圖1-3某汽車制造系統(tǒng)的生產物流示意圖81.1.3制造業(yè)與裝備制造業(yè)制造業(yè)是將制造資源利用制造技術，通過制造過程，轉化為供人們使用或利用的工業(yè)品或生活消費品的行業(yè)。裝備制造業(yè)又稱裝備工業(yè)，主要是指資本品制造業(yè)，是為滿足國民經濟各部門發(fā)展和國家安全需要而制造各種技術裝備的產業(yè)總稱。按照裝備功能和重要性，裝備制造業(yè)主要包括以下三方面內容：一是重大的先進的基礎機械，即制造裝備的裝備—工作“母機”，主要包括數(shù)控機床(NC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(DIMS)、工業(yè)機器人、大規(guī)模集成電路及電子制造設備等。二是重要的機械、電子基礎件，主要是先進的液壓、氣動、軸承、密封、模具、刀具、低壓電器、微電子和電力電子器件、儀器儀表及自動化控制系統(tǒng)等等。三是國民經濟各部門（包括農業(yè)、能源、交通、原材料、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)保等）科學技術、軍工生產所需的重大成套技術裝備91.2先進制造技術的提出和發(fā)展1.2.1先進制造技術的產生與定義先進制造技術是美國于20世紀80年代末期提出的，1993年，美國政府批準了由聯(lián)邦科學、工程與技術協(xié)調委員會（FCCSET）主持實施的先進制造技術計劃（AdvancedManufacturingTechnology－AMT），此計劃是美國根據本國制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機遇，為增強制造業(yè)的競爭力和促進國家經濟增長，首先提出的。先進制造技術的定義與內涵是在傳統(tǒng)制造技術基礎上不斷吸收機械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計。制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產，提高對動態(tài)多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術總稱，也是取得理想技術經濟效果的制造技術的總稱。101.2.2先進制造業(yè)的發(fā)展概況20世紀90年代以來，美國、日本、歐共體、德國、中國等都針對先進制造技術的研發(fā)提出了國家級發(fā)展計劃，旨在提高本國制造業(yè)的國際競爭能力美國長期以來，美國的經濟學家和決策者之間一直在爭論失去制造業(yè)及其就業(yè)機會是否事關重大。一些專家認為，隨著收入的增長、生產率的提高，就業(yè)從農業(yè)轉向制造業(yè)，再從制造業(yè)轉向服務業(yè)，這是經濟發(fā)展的自然規(guī)律。但美國必須要挽回其在制造業(yè)的領導地日本日本是全球最重要的先進制造業(yè)出口國，近幾十年以來一直堅持“產業(yè)立國”的理念，所采取的策略是：在本土致力于技術研發(fā)，掌握核心技術；在海外建立“新”日本生產基地，進行產業(yè)轉移。從重視應用研究轉向加強基礎研究，以便徹底擺脫“美國出創(chuàng)新概念，日本出創(chuàng)新產品”的局面。11德國德國是世界制造業(yè)的傳統(tǒng)強國，以良好的質量和生產工藝聞名于世。目前德國制造業(yè)依然是傳統(tǒng)高端制造業(yè)的代表，世界第四大經濟體，歐洲頭號經濟體，其工業(yè)制造業(yè)占GDP的29%，成為其經濟的“脊梁”，帶動了相關產業(yè)和服務業(yè)的發(fā)展。德國的精密機械、制藥、工程機械、汽車制造、環(huán)保產業(yè)聞名于世，以質量可靠著稱。由于制造業(yè)的發(fā)達，自2003年開始成為世界頭號出口大國，一直到2009年才被新崛起的“世界工廠”中國推到世界第二的位子。法國法國的制造業(yè)主要集中在機械與運輸設備制造、醫(yī)藥醫(yī)療器械、汽車、基礎化工方面等。法國工業(yè)部在2010年推出了“法國制造”的主張，著力奠定法國在核電、高速列車、航空航天、汽車等制造業(yè)領域處于世界領先水平，法國總統(tǒng)薩科奇在2011年底視察某一家滑雪器具生產廠時，親自主持主題為“法國制造”的圓桌會議，希望通過先進制造業(yè)來遏制歐債危機在法國的蔓延，改善法國的就業(yè)、內需和出口問題。

12英國在金融和專業(yè)服務業(yè)以外，英國最具優(yōu)勢的產業(yè)就是先進制造業(yè)。近些年來，在英國的先進制造業(yè)領域里出現(xiàn)了一套新型多功能、擁有一定制造應用范圍的平臺技術。這些技術涵蓋塑料電子、硅設計、可再生化學和用以替代各類金屬的碳纖維復合材料等領域。韓國韓國的先進制造技術計劃源于二十世紀九十年代，當時韓國政府提出了國家高級先進技術計劃(HANP)，由韓國科技部、工商部、能源部和交通部聯(lián)合實施。進入二十一世紀，受到金融危機的影響，韓國的制造業(yè)進入了相對下降和震蕩階段。韓國的汽車、半導體、造船、石油化學、鋼鐵、手機生產等制造業(yè)世界聞名，尤其在半導體、液晶、芯片等產業(yè)技術方面幾乎與日本不相上下。我國先進制造技術的發(fā)展中國目前號稱世界工廠，但是中國制造是經濟全球化時代產業(yè)分工的結果，與其他制造業(yè)強國相比，中國制造沒有自己的核心技術，沒有自己的全球銷售網絡和市場，在全球產業(yè)分工體系中屬于廉價的代工和加工生產基地。131.2.3先進制造技術的體系、分類與特點

先進制造技術的體系目前還沒有統(tǒng)一的認識，按照機械科學研究院(AMST)提出的先進制造技術由多層次技術群構成的體系圖，如圖1-4

圖1-4先進制造技術的多層次體系圖14先進制造技術的分類根據產品制造過程所依賴的技術群，先進制造技術可分為四大類。即：先進設計技術、先進制造工藝技術、制造自動化技術、先進制造生產模式。先進制造技術的特點為先進性、規(guī)范性、實用性、集成性、系統(tǒng)性、動態(tài)性。先進制造技術是以提高綜合效益為目的，以人為主體，以計算機技術為支柱，綜合應用系統(tǒng)技術、自動化技術、信息、材料與工藝技術、能源與環(huán)保等高新技術以及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術，研究并改造制造過程作用于產品整個壽命周期的所有適用技術的總稱。而把這些適用技術所構成的制造系統(tǒng)，統(tǒng)稱先進制造系統(tǒng)。151.2.4先進制造技術的發(fā)展趨勢先進制造技術專家楊叔子院士曾用12個字精辟而深刻的字闡釋了先進制造技術發(fā)展趨勢：一，制造產品：“精”、“極”、“文”，二，制造過程：“綠”、“快”、“省”、“效”三，制造方法，“數(shù)”、“自”、“集”、“網”、“智”。美國的PhysicsToday在1993年的雜志封面上刊登了一個圓形的像美麗的皇冠樣的圖形，它由周邊的48個小圖形組成。從中心到周圍蕩著水波一樣的裝飾。在單晶的表面用48個鐵原子圍成了一個14.3nm的圓圈，相鄰兩個鐵原子間距離僅為1nm，如圖1-5所示。圖1-5先進制造技術的多層次體系圖161.3.1工程仿真技術的概念工程仿真技術是以相似原理、系統(tǒng)技術、信息技術以及仿真應用領域的相關專業(yè)知識技術為基礎，以計算機系統(tǒng)和相關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統(tǒng)（已有的或設想的）進行工程研究的一門多學科的綜合性的技術。利用計算機對工程系統(tǒng)仿真的過程可以通過三個基本活動來描述：1.建模活動：通過對實際工程的觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎上，用物理或數(shù)學的方法進行描述，從而獲得實際工程系統(tǒng)的簡化近似模型。2.

仿真模型：對工程系統(tǒng)的數(shù)字模型（實際是一種簡化后的模型）進行一定的算法處理，使其成為合適的形式之后以便于計算機進行計算。3.過程仿真：將實際工程的狀態(tài)在模型中進行模擬。通過仿真技術可以弄清工程系統(tǒng)的內在變量對被控對象的影響。171.3.2工程仿真技術的特點

工程仿真技術憑借新的加工制造技術和執(zhí)行機構技術的支持，對設計、制造和維護高性能執(zhí)行機構，構建一個包括控制器和執(zhí)行機構的完整的自動化系統(tǒng)起到了積極作用，也因此得到了巨大的發(fā)展?，F(xiàn)代的工程仿真技術具有如下特點1.在工程系統(tǒng)中，仿真技術是一門通用的支撐性技術。2.工程仿真技術的發(fā)展具有相對的獨立性，同時又與光、機、電、聲，特別是信息等眾多專業(yè)技術領域的實際發(fā)展互為促進。3.工程仿真技術的發(fā)展還與應用緊密相關。18超彈密封仿真結構分析結構分析用于確定結構的變形、應變、應力及反力靜力分析用于靜力載荷條件可以模擬諸如大變形、大應變、接觸、塑性、超彈、蠕變等非線性行為齒輪嚙合19動力學分析包括質量和阻尼效應模態(tài)分析計算固有頻率及振型諧響應分析確定結構對已知幅值和頻率的正弦載荷的響應瞬態(tài)動力學分析確定結構對隨時間變化載荷的響應，可以包括非線性行為其他結構功能譜分析隨機振動特征值屈曲子結構，子模型汽車模態(tài)分析20顯示動力學

ANSYS/LS-DYNA側重慣性力占主導的大變形模擬用于模擬沖擊、碰撞、快速成型等。車側撞板料成形仿真結構分析（續(xù)）21雙金屬桿由于加熱產生變形耦合場分析考慮兩種或多于兩種場之間的相互作用。每一種場都依賴于另一種場使得不可能對每個場單獨求解，因此需要一個能夠將物理問題綜合在一起考慮計算的程序。例如:熱應力分析壓電分析(電及結構)聲學(流體及結構)熱－電分析導熱(磁和熱)靜電－結構分析耦合場分析221.3.3工程仿真技術的作用隨著執(zhí)行機構技術的發(fā)展，機、電、液、熱、氣、電、磁等驅動技術的進步，以高可靠性、高精度、高反應速度和穩(wěn)定性為代表的先進特征，將工程系統(tǒng)的執(zhí)行品質提高到前所未有的水平。這也使得仿真技術在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用：1.利用仿真技術可以提高工程系統(tǒng)產品的開發(fā)質量。2.利用仿真技術可以縮短工程設計周期。3.利用仿真技術可以大大地減少工程造價，提高生產效率。231.3.4工程仿真技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

工程仿真技術作為虛擬設計技術的一部分