1 引言
計算機虛擬技術是利用計算機軟硬件、網絡，在硬件產品試制之前，進行產品的設計、分析、加工、裝配模擬，預測產品的綜合性能、成本、市場響應的一種高新技術。由于它可覆蓋企業的各個領域，在硬件產品試制以前，已充分考慮了產品設計、工藝、加工、支持(采購、庫存、銷售、發送、維護、報廢、回收)的全過程，考慮了產品的質量、成本，考慮了企業內部的管理模式、企業的能力以及企業與企業之間的關系，因此可以最大限度地盡早發現產品潛在問題，減少產品早期開發錯誤，節約成本、時間，提高產品的質量，這樣根據顯在與潛在的市場需求，可以快速地把虛擬的高質量、低成本的優秀產品投放市場，從而獲得巨大的經濟效益與社會效益，所以計算機虛擬技術在機械企業中已得到了廣泛的應用，它將向更大的應用范圍、更深的應用水平方向發展，也將是今后機械企業進行技術改造的潮流與方向。
2 計算機虛擬技術的框架結構
從根本上講實施計算機虛擬技術最重要的是系統的大集成，該技術的應用目的是把全球資源、企業的內部各種人力、物資、資金等各種信息結合起來，利用計算機軟硬件設備，建立一個基于計算機系統的虛擬企業環境，使企業成為設計開發現代化、管理服務現代化、組織結構現代化、人員素質現代化的先進企業，可以對市場進行快速反應，充分、合理地組織、利用企業資源，在盡量短的時間內，制造出高質量、低成本的優秀產品，以滿足市場的需求。
計算機虛擬技術涉及到企業的各個方面，為了敘述方便，將其分為三個部分，分別是計算機虛擬技術實施的基礎平臺、計算機虛擬技術在產品設計、加工中的應用以及該技術在企業管理、支持系統中的應用。
2.1 計算機虛擬技術實施的基礎平臺
計算機虛擬技術實施的基礎平臺包括將全球連接起來的Internet網絡系統、企業內部實施的Intranet企業內部網絡系統、數據庫管理系統和運行各種軟件的計算機、服務器等硬件設備等。
Internet系統是覆蓋全球的信息系統，數據的通訊能力正日益提高。利用該系統，依靠社會力量，充分利用對產品性能有技術優勢的企業的資源，形成戰略合作伙伴，形成跨地區的、基于Internet網絡系統的虛擬地理位置的企業集團，可以使機械企業實現優勢互補，揚長避短，從而可以以更低的成本，更短的周期來加工裝配出高質量的產品。
在企業的內部，以Internet方式構造企業內部網，即Intranet，將各部門、個人聯系在一起，實現信息的高速傳輸，可極大程度地增強企業的凝聚力和綜合實力。企業的數據種類繁多、管理困難，因此必須制定統一的標準、利用數據庫系統，對企業的數據進行全過程管理。
計算機硬件設備種類繁多、配置各異，包括UNIX、NOVELL、NT服務器、UNIX、NT圖形工作站、普通微機、終端以及各種輸出、輸入設備，由于硬件的發展較快，因此應根據工作內容的不同，以滿足企業兩到三年的需求確定硬件設備的種類、配置，以獲得合理的性能價格比。
2.2 計算機虛擬技術在產品設計、加工中的應用
計算機虛擬技術在產品設計、加工中的應用極為廣泛，筆者簡要地介紹計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助工藝(CAPP)及計算機輔助制造(CAM)四個方面的應用。
隨著現代社會的發展，人們對產品的外觀美學要求越來越高。以往在產品的推銷過程中，往往需要制作一系列的產品實物，供用戶選擇。但是，制作產品實物的成本是十分昂貴的，制作出來的產品又不一定能適應市場的需求，因此很多國際先進企業，都已采用計算機虛擬技術，設計、構造出多種方案的產品模型，即虛擬樣機，提供給用戶，這樣就節約了產品樣機的制作開銷，也容易符合市場的需求。目前Alias Wavefront軟件是世界上最好的外觀造型軟件。
利用三維設計軟件進行產品設計，設計人員就可利用計算機直觀地確定零件的尺寸、公差、加工工藝，產品的裝配方法，安排工藝流程等，進行三維方式的裝配，檢查零件之間的干涉關系，進行公差分析等工作。設計人員設計時面對的是與實物相似的虛擬產品，而且計算機軟硬件還提供了超越實物的設計手段，例如設計人員可以隨心所欲地對產品進行剖切。目前國內在二維設計方面，AutoCAD軟件是應用最為廣泛的繪圖軟件。而在三維方面，高檔的設計軟件包括Pro/Engineer、Ideas、UGII、Catia等，中檔的設計軟件包括AutoCAD MDT、Solid Work等。
隨著有限元分析、可靠性分析、優化設計等先進的方法、理論逐步成熟，很多商業計算機輔助分析軟件進入了實用階段。經驗表明，利用計算機分析軟件進行產品的各種性能分析，如強度、剛度分析、熱傳遞分析、電磁場分析、沖壓、鍛造、碰撞大變形分析、鑄造分析、各種應力場、電磁場、流場的耦合場分析、模態、振動分析、系統動力學分析等，能夠從早期模擬、預測產品的性能，從而可以進行多方案比較，進行系統優化，減少潛在質量問題，為新設計產品提供理論依據，可以減少試驗費用，提高產品的一次試制成功率。目前世界上比較優秀的分析軟件主要包括綜合性分析軟件Ideas、Ansys、Nastan、非線性分析軟件Marc、鑄造分析軟件Magma、Procast、沖壓、碰撞軟件Dyna、系統動力學分析軟件ADAMS等。
相對而言，在工藝設計方面，專門論述虛擬技術的較少，原因是工藝設計的工作內容在往往被CAD、CAM兩方面的工作所覆蓋，例如裝配工藝設計，三維設計軟件可以生成零件的爆炸圖、或生成模擬零件裝配的動畫過程，裝配人員可以直觀地了解裝配的過程；再如加工工藝的確定，在利用CAM軟件進行零件加工代碼編制時，就必須考慮工藝設計的全過程，因此相對而言，虛擬技術在這方面的論述較少。但是計算機輔助工藝設計系統可以提供工藝的設計效率、促進企業各部門之間的協同工作、提供工藝設計的質量、充分發揮集團的生產能力，因此它也是企業應用計算機技術的一個不可缺少的重要組成部分。目前國內比較優秀的計算機輔助工藝設計軟件有SIPM軟件等。
計算機輔助制造軟件根據計算機設計軟件設計出的二維或三維數據，確定加工工藝，結合具體的加工設備，生成加工代碼，可以在計算機上模擬加工的過程，了解加工的刀具軌跡，檢查刀具、夾具、工作件、機床之間的干涉關系，從而可以取消預切，得到最佳的加工工藝，縮短生產準備周期，提高加工的質量與效率，提高產品零件加工的一次成功率。
2.3 計算機虛擬技術在企業管理、支持系統中的應用
企業管理、支持系統的工作內容包括營銷、原材料、配件采購、庫存、銷售、發送、維護、報廢、回收等。利用計算機虛擬技術，建立企業信息管理系統，可以根據市場需求，利用虛擬的產品設計信息，模擬企業的運作，對市場進行快速響應，從而最大幅度降低各種物料庫存、提高資金周轉、加強設備資源合理利用、提高勞生產率、優化新產品的制造成本。目前基于Internet/Intranet系統的產品數據管理或企業信息管理系統有PTC公司Windchill、SDRC公司的Metaphase、SAP公司的R/3、EDS公司IMAN、Fourth Shift等。
3 計算機虛擬技術應用狀況及產生效益
計算機虛擬技術在機械企業中取得了豐碩的應用成果，它為企業樹立了科技形象，爭取了市場，解決了產品中存在的問題，為創新產品設計提供了高科技的手段，創造了極大的經濟效益與社會效益。筆者在此略舉數例。
99年5月，戚墅堰機車車輛廠與浦鎮車輛廠承接了鐵道部科技司的180公里準高速內燃動車組研發項目，該動車組是新一代城際交通列車，采用流線型設計，為了得到完美的動車組油漆方案，在動車組設計初期，利用Alias!Wavefront軟件進行了油漆方案設計，形成了動車組效果圖，受到用戶單位的高度好評，預計產品將于10月份在滬杭線首發。
98年4月，戚墅堰機車車輛廠為美國巴博爾轉向架國際公司生產搖枕、側架。由于外方對產品有重量限制，因此為了預測產品在壁厚公差范圍內的重量能否滿足外方的要求，工廠利用Ideas軟件對搖枕、側架進行三維實體造型，利用軟件計算出模型重量，得出外方所給予的重量限制裕度較大，產品可以滿足其要求的結論，從而為工廠進行該項商務合作提供了理論依據；另外計算出產品重量，也就可以計算原材料的消耗量，從而為產品的成本核算提供一定的原始數據。目前這兩項產品已為工廠創匯數百萬美元。
98年7月，戚墅堰機車車輛廠參加新加坡凹底平車、長平車招標，招標要求提供符合DCPS規范要求的車體鋼結構靜強度有限元分析報告，工廠利用Ideas軟件對這兩種產品按DCPS規范進行了靜強度分析，考慮了多種載荷的不同組合工況，計算后發現長平車基本滿足要求，而凹底平車不能滿足DCPS規范要求，存在設計缺陷，經改進車體結構，重復計算，最后得出了滿足強度要求的車體結構，提交出分析報告。這次計算一方面說明了國際市場對有限元分析的重視，另一方面也確實提高了工廠產品的質量，避免了隱患。目前這兩個產品的制造已經完成。
98年12月，戚墅堰機車車輛廠利用Ansys軟件對目前國內單機功率最大的內燃機車—東風8B型內燃機車車體鋼結構進行靜強度分析，通過對模型施加垂向、縱向壓縮、拉伸、組合等多種載荷，模擬靜載、牽引、救援等工況進行計算，計算結果與試驗結果比較，發現最危險部位雖然應力幅值有一定差異，但都在屈服極限之內，而位置兩者之間是基本一致的，而車體側梁撓度也是基本一致的，這就驗證了有限元分析方法的合理性，于是工廠在研發180公里準高速內燃動車組時，就計劃僅利用軟件進行靜強度分析，取消真實的靜強度試驗，從而可以節省近二十萬的試驗費用。
99年1月到3月，戚墅堰機車車輛廠與奧地利AVL公司進行新一代16V280ZJB型柴油機合作開發，該柴油機開發成功，將是國內單機功率最大的機車柴油機，為了指導柴油機機體模具的制作，利用Pro/Engineer軟件進行了三維實體建模、模具生成。從效果來看，由于工藝師可直觀地在計算機中了解機體、模具的三維模型，極大程度地提高了模具生成的效率與質量。另外通過這次建模工作，準確預測了鑄造該機體毛坯所需的鋼水重量。
徑向轉向架是為了提高機車曲線通過能力、粘著系數，以運用于山區小曲率半徑、提高機車牽引能力的新一代轉向架，是國際新型機車開發的一個發展方向，國內目前尚無產品問世。99年4月，戚墅堰機車車輛廠利用Adams軟件進行徑向轉向架機構分析，得出了曲率半徑與轉向機構的轉角關系，為產品試制奠定了一定理論基礎。
又如鐵道部機車車輛工業總公司提出開發“開發產品基礎數據庫系統、材料、工時、資金三大定額管理系統”的要求，戚墅堰機車車輛廠歷時一年開發完成這項工作，該系統以產品基礎數據為基礎，以數據庫技術、網絡技術為應用環境，形成材料、工時、資金等定額標準,可及時統計消耗數據，從而可以加強企業管理，降低產品成本，為市場產品快速定價提供可靠數據。
4 計算機虛擬技術的發展與應用前景
隨著社會的發展，新的計算機硬件的速度、存儲空間還將高速發展，Internet網絡的信息通訊流量也將越來越大，全球的信息更加豐富，企業內部的網絡系統的通訊能力也將越來越強，軟硬件設備、網絡系統性能價格比越來越高，使中小企業也完全能承受，所以預計計算機虛擬技術的應用將向更廣泛的領域發展。
各種先進的現代設計理論和方法，如虛擬產品、輔助分析、優化分析、動態模擬、數字仿真、人工智能、專家系統、可靠性等等，經過長期的應用經驗積累、數據積累，將日益成熟，進入實用推廣階段。另一方面，為了解決新產品設計中的各種疑難問題，克服現有產品中的缺陷，也必然將誕生出多種先進的設計理論與方法。
如前所述，企業全面開展計算機虛擬技術最重要的是系統的大集成，隨著技術的發展，世界、企業信息量越來越多，企業內部的管理、設計、工藝、加工、測試、質量等方面的信息集成能力將越來越強，企業的各種系統向著高柔性，系統化、集成化、智能化、實用化的方向發展，企業與企業之間的交流合作也越來越多，形成社會化大分工，形成戰略性的合作伙伴關系，企業向高柔性、高集成性方向發展，而機械產品的質量、種類也將發生質的飛躍。
5 計算機虛擬技術應用實施過程中需要注意的問題
計算機虛擬技術的應用必須緊密圍繞企業發展的目標展開，根據企業自身的產品特點、組織結構、人員素質、設備生產能力、資金狀況等具體情況，按照計算機集成制造系統、并行工程、敏捷制造等先進思想構造系統的框架，著眼于企業的長遠目標，制定一個相對長期的發展規劃，再立足于當前的基礎與近期迫切需要，選擇一些技術成熟、易于實現、切實可行的項目，制定確實可行的分步實施的項目計劃，從而保證項目實施的實用性與可擴展性。這樣企業可以利用有限的投入中獲得了較大的經濟、社會效益，也有利于計算機虛擬技術的逐步展開。
計算機虛擬技術的應用與企業的結構調整密不可分，計算機虛擬技術不再是簡單的工具，而是一種嶄新的企業產品開發體系、企業管理體系，企業要想全面發揮其優越性，必然需要克服新知識、新技術與現有企業管理模式、人的思想等方面的矛盾，適當調整企業的組織結構，調整企業的運作流程，使之與先進的技術相適應。
計算機虛擬技術是一種復合性的科學，它不僅涉及其具體應用領域，如機械、加工、工藝等，還涉及計算機、數學、力學、圖形學等眾多學科，知識面廣、系統復雜、專業水平要求高，實施周期長，需要大量的、穩定的、高水平的復合性人才。相對而言，人才流失可能是國有大中型企業最頭疼的問題之一。因此迫切需要企業領導，正確理解計算機虛擬技術的應用重要性，采用思想教育和合理的技術、經濟政策相結合的方式留住人才，對他們進行各種層次的培訓，以建立一支高水平的、穩定的技術隊伍。
6 結語
機械行業是國家的基礎工業、也是傳統工業，如果不積極采用先進的計算機技術，虛擬技術、各種現代設計理論與方法來改造企業的組織形式、管理方法、產品研發過程，今后的機械工業將成為夕陽工業，企業也將失去生存的機會。但是，我們也應該看到，國內機械企業目前可以直接利用已經日趨成熟的先進計算機技術，從而可以避免發達國家在技術成長階段走過的一些彎路；同時計算機虛擬技術的投入已進入實用階段、計算機軟硬件設備的性能價格比日益提高，已不再需要巨大的投資，國內機械企業利用有限的資金，以最佳的性能比合理購置計算機軟硬件設備、進行技術改造，與國際先進企業之間的差距也會縮短得很小，從而使企業保持旺盛的生命力，開發出高質量的優秀產品，在國際大市場這個舞臺上嶄露頭角。
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