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虛擬制造(VM)在計算機(jī)上全面仿真產(chǎn)品設(shè)計、制造和裝配的全過程。它不僅可為現(xiàn)有企業(yè)的全部生產(chǎn)活動提供仿真支持，而且可以仿真未來企業(yè)的設(shè)備布置和物流系統(tǒng)，因而可以對新產(chǎn)品設(shè)計、制造乃至生產(chǎn)設(shè)備引進(jìn)及車間布局等各個方面進(jìn)行模擬。這不僅可以提高新產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量，而且可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
VM系統(tǒng)可分為以設(shè)計為中心VM系統(tǒng)、以生產(chǎn)為中心VM系統(tǒng)和以控制為中心VM系統(tǒng)。以設(shè)計為中心VM系統(tǒng)在設(shè)計階段為設(shè)計者提供制造信息，它采用基于制造的仿真來優(yōu)化產(chǎn)品和過程設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)特定的制造目標(biāo)。以生產(chǎn)為中心VM系統(tǒng)為生產(chǎn)計劃、工藝計劃和資源需求計劃的可執(zhí)行性提供支持環(huán)境，并在不加工實(shí)際產(chǎn)品的情況下，進(jìn)行工廠生產(chǎn)過程仿真，從而實(shí)現(xiàn)低成本快速評估各種加工過程，以重構(gòu)和優(yōu)化各種加工設(shè)備。以控制為中心VM系統(tǒng)將仿真用于控制模型和實(shí)際生產(chǎn)過程，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)循環(huán)的最優(yōu)化提供無縫仿真。首先論述以設(shè)計為中心VM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，然后討論有限元分析與以設(shè)計為中心VM系統(tǒng)的集成以及有限元分析的應(yīng)用。
實(shí)際制造系統(tǒng)可分為現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)(RPS)和現(xiàn)實(shí)信息系統(tǒng)(RIS)二個子系統(tǒng)。RPS由系統(tǒng)中物理實(shí)體組成，這些實(shí)體包括材料、零件、產(chǎn)品、機(jī)床、機(jī)器人、夾具、傳感器和控制器等，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，這些物理實(shí)體具有一定行為和交互，如運(yùn)動或改變形狀。RIS涉及信息處理和決策的活動，如設(shè)計、計劃、調(diào)度、控制和評估等，它由計算機(jī)和人員組成。RIS不包括RPS中的物理實(shí)體，而只與RPS交換有關(guān)信息。RPS向RIS發(fā)送狀態(tài)報告，而RIS生成并向RPS發(fā)送控制指令。假定用計算機(jī)系統(tǒng)解釋來自RIS的控制命令并向RIS返回狀態(tài)報告，并且該系統(tǒng)的行為完全等同于RPS，那么將模擬RPS的計算機(jī)系統(tǒng)稱為虛擬物理系統(tǒng)(VPS)。同樣如果用計算機(jī)系統(tǒng)模擬RIS的功能，使得RPS無法區(qū)分控制指令是來自RIS還是計算機(jī)系統(tǒng)，那么該計算機(jī)系統(tǒng)稱為虛擬信息系統(tǒng)(VIS)。
圖為國家CIMS工程研究中心的以設(shè)計為中心VM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，它是整個VM系統(tǒng)的一部分。以設(shè)計為中心VM系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)過程。該系統(tǒng)的RIS基于傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)活動，而VIS基于計算機(jī)支持的產(chǎn)品設(shè)計活動，它包括CAD、運(yùn)動學(xué)動力學(xué)分析、有限元分析、DFA、DFM、CAPP和CAM等。在傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程中，產(chǎn)品設(shè)計、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析、有限元分析和工藝設(shè)計通常是串行進(jìn)行。

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虛擬制造環(huán)境下有限元分析的應(yīng)用