虛擬產品設計

隨着全球經濟一體化的環境形成，市場競爭愈演愈烈。各個企業面臨着一個急需解決的問題是，一件產品往往要經過多次反覆的試製才能進入市場，也就是説，許多公司仍認為，無法在縮短產品上市時間以及縮短產品和用户距離上取得實質上的突破。虛擬產品開發就是在這樣的背景下產生的。 ^[1] 

虛擬產品開發是以計算機仿真、建模為基礎，集計算機圖形學、智能技術、並行工程、虛擬現實技術和多媒體技術為一體，由多學科知識組成的綜合系統技術。虛擬產品開發是實現產品開發在計算機環境中數字化的映射。它將現實產品開發全過程的一切活動及產品演變基於數字化模型，對產品開發的行為進行預測和評價。應用虛擬現實技術，可以達到虛擬產品開發環境的高度真實化，並使之和人有着全面的感官接觸和交融。在這裏，可以把虛擬產品開發定義為：在產品設計或製造、維護等系統的物理實現之前，模擬出未來產品的性能或製造、維護系統的狀態，從而做出前瞻性的優化決策和實時方案。 ^[1] 

虛擬產品設計是基於虛擬現實技術的新一代計算機輔助設計，是基於多媒體的、交互的滲入式或侵入式的三維計算機輔助設計環境中，設計者不但能夠直接在三維空間中通過三維操作、語言指令、手勢等高度交互的方式進行三維實體建模和裝配建模，並且最終生成精確的系統模型，以支持詳細設計與變型設計，同時能在同一環境中進行一些相關分析，從而滿足工程設計和應用需要。 ^[2] 

虛擬產品設計是在真實產品加工以前，通過實施有效的產品設計方法和手段，建立產品的功能和結構信息模型，同時對產品的結構、功能和性能進行仿真，作為對設計的指導以及對用户需求的預評估。 ^[3] 

一件真實產品從構想到市場一般要經歷概念設計、詳細設計、生產製造、廣告宣傳和市場銷售等過程。而虛擬產品則是將這一過程在計算機中模擬表現出來。 ^[4] 

虛擬產品開發體系的核心內容包括產品開發過程數字化建模、數字化產品建模和數字化產品仿真三個方面。

在並行工程思想指導下，產品開發過程是多學科羣體在計算機技術技術和網絡通信環境的支持下，在產品開發活動的時間和資源約束下，基於產品全生命週期信息，進行產品開發組織結構和開發任務的動態調控流程。過程建模應考慮的內容有：

（1）過程模型的描述方法及在計算機上的處理和實現，過程的動態調整和優化；

（2）組織模型要規劃和描述組織結構、活動分工、權限和責任定義；

（3）資源模型對信息、設備、人力、資金等資源進行動態規劃和配置控制；

（4）約束規則：時間約束是僅次於資源的主要約束，在資源允許下，增大產品開發活動的並行度；信息約束是開發活動之間及開發活動中單元之間相關性和一致性的保障；

（5）過程監控和協調進行實際約束管理、過程的實時監控調度和衝突仲裁，保障過程按照最優方向進展。 ^[1] 

產品建模主要以面向對象技術為工具，以STEP標準為指導思想，建立基於裝配的約束參數化的特徵產品定義模型。其特點如下：

（1）基於STEP思想。產品數據的表示和交換是基於不依賴於具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命週期中的數據，從而使產品數據的表示具有標準化和共享性的特點。

（2）支持工程分析工具的應用。工程分析工具利用已經建立好的產品模型，對零部件甚至整機進行有限元受力分析、熱應力分析以及運動仿真、性能仿真、裝配仿真，仿真的結果可以直接用於指導數字化產品的設計修改，不必通過實物模型來驗證。

（3）支持產品異地、並行設計。由於產品模型在計算機上定義，加之網絡通信的迅速發展，處於異地的設計人員也可方便地進行交流。設計隊伍中除含有設計、製造、裝配、試驗等專業人員外，還有合作伙伴、用户代表等，這樣在產品的開發過程中能及早的發現問題，在產品開發的早期階段就得到解決。儘量避免下游重大問題的反饋所造成的時間拖延、成本上升等現象。 ^[1] 

數字化產品開發的仿真包括：全生命週期的產品演變仿真和產品開發全過程的活動仿真。全生命週期的產品演變仿真是通過產品的數字建模，反映產品從無到有，再到消亡的整個演變活動，用户和開發者在製造實物之前即可充分地評審其美觀度、可製造性、可裝配性、可維護性、可銷售性和環保性能等，從而確保產品開發的一次成功率。產品開發全過程的活動仿真旨在通過開發活動的數字模型，反映虛擬開發組織形勢下，產品開發活動的功能行為和運作行為，仿真虛擬產品開發的設備佈置、物流系統、資源的利用和衝突以及組織結構、生產活動和經營活動等行為，從而確保產品開發的可能性、合理性、可靠性、經濟性、高適應性和快速響應能力。 ^[1] 

虛擬產品的設計全過程包括計算機輔助概念設計、計算機輔助詳細設計、虛擬製造、廣告宣傳設計以及虛擬市場設計。

產品的概念設計包含了從產品的需求分析到進行詳細設計之前的設計過程。它包括功能設計、原理設計、形狀設計、佈局設計和初步結構設計。一般意義上的概念設計是指產品在功能和原理基本確定的情況下，對產品外觀造型進行設計的過程。計算機輔助設計概念設計是CAD領域中的一個重要分支，它設計到設計方法學、人機工程學、人工智能技術、CAD技術以及認知與思維科學等。 ^[4] 

在對產品進行概念設計後就要對產品進行詳細設計。虛擬產品是一個數字化的產品，它具有真實產品所必需的具有的特徵。這樣，通過對產品實時性功能的仿真，設計人員或用户就能夠像使用真實產品一樣使用虛擬產品。 ^[4] 

在完成了產品的詳細設計後，在計算機中就形成了待制造的虛擬產品。在虛擬產品真實投產前，必須在虛擬製造系統中模擬出產品未來的製造過程。虛擬製造可分為三種範式，虛擬製造的目的是一致的，即提供一個集成環境，集成一些孤立的製造技術（如CAD、CAM、CAPP等）使用户可以在不同的工作地同時執行部分或全部功能。 ^[4] 

為了適應激烈的市場競爭，設計廠家不能坐等用户找上門訂購產品，而應該主動把自己廠家的產品推向市場。將虛擬現實技術製作虛擬產品的動畫廣告與計算機網絡技術結合起來，時用户能夠通過網絡來瀏覽設計廠家設計的產品，並能直接在虛擬環境中對產品的功能、結構、外形、色彩等方面進行實時交互、瞭解、觀察，同時，還可以通過Email或網絡對產品提出意見和建議等，讓廠家參考各方面的意見修改和完善所設計的產品。這樣可以提高設計廠家的競爭力，為設計廠家謀得更多的市場份額。 ^[4] 

若用户對廠家設計的產品引起購買慾望，通過網上瀏覽，將信息反饋到各商家，商家則會主動爭先與廠家聯繫，網上訂貨，使廠家的產品提前佔領市場。 ^[4]