2.1.3 数字样机技术
1 数字样机的概念
数字样机（Digital mock-up，DMU）技术兴起于20世纪90年代。数字样机技术是以CAD/CAE/DFx（Design for X，是一种面向产品生命周期的设计理念，其中“X”代表产品生命周期中某一环节，如装配、安装、维护等）技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合计算机图形技术、仿真技术以及虚拟现实技术，将多学科的产品设计开发和分析过程集中到一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品设计研制的早期就可以直观形象地对产品数字原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供了全新的数字化设计方法。
数字样机技术从设计及制造的角度出发，借助于计算机技术对产品的各项参数进行设计、分析、仿真与优化，达到替代或精简物理样机的目的。
数字样机技术使设计者可以在没有制作新产品物理样机的情况下，利用数字模型对新产品的性能和制造过程进行仿真测试实验。通过它，设计者能够及时地发现设计中的错误，提高工作效率和设计质量。这不仅为企业节省了大量设计经费，也能够有效缩短新产品的设计周期。前面所述的波音777、787等型号飞机的设计，就是采用了数字样机技术。
数字样机是建立在三维几何模型基础上的可仿真数字模型，可以对产品进行功能、几何、物理性能等方面的分析。应用数字样机技术可使产品设计者、制造者和使用者，在产品的设计阶段就基于数字化环境直观地了解产品的几何特性，再利用仿真技术对产品的数字模型进行性能测试和制造仿真，及早发现并解决问题，从而达到优化产品的目的。
数字样机技术的出现和逐步成熟为提高设计质量、减少设计错误和提高设计工作效率等方面提供了强大有力的工具和手段，具有重大的意义。数字样机的虚拟数字模型不只是几何模型，还包括多物理场、多学科的分析模型、边界条件模型、分析结果模型，它可以替代物理样机进行产品性能分析和预测。
2 数字样机的相关技术
为了能够更好地替代物理样机对新产品进行分析，真实地反映新产品的特性，数字样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分析时，需要融合其他相关技术。数字样机的开发和实施涉及以下技术：
1）几何形体的计算机辅助设计（CAD）技术。用于机械系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。
在几何建模中，模型主要是二维图形、三维线框和三维实体造型。几何建模技术还包括不同格式的几何模型间的无损变换、几何模型的渲染技术（主要有表面纹理修饰和光照技术）和几何模型的操纵技术（涉及模型的立体显示、消隐、透明等）。
2）计算机辅助工程（CAE）技术，主要是有限元分析（FEA）技术。可以利用机械系统的运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析所需要的外力和边界条件，或者利用有限元分析对构件应力、应变、强度、温度等进行进一步的分析。
3）模拟各种工况的软件编程技术。数字样机软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力和动力，例如电动力、液压动力、风力等，以适应各种物理、控制系统的要求。
4）控制系统设计与分析技术。数字样机可以运用传统的和现代的控制理论，进行系统控制部分的仿真分析，或者可以应用其他专用的控制系统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。
5）优化分析技术。运用数字样机分析技术进行产品各系统的优化设计和分析是一个重要的应用领域，通过优化设计，确定最佳设计结构和参数值，使产品获得最佳的综合性能。
3 数字样机的特点
虽然人们对数字样机的概念有不同的认识，但是数字样机都具有以下三个特点[37]：
1）真实性：真实性是数字样机最本质的属性。采用数字样机的根本目的是取代或者精简物理样机。因此数字样机应是“具有一定的原型产品或系统真实功能并能够与物理原型相媲美的计算机仿真模型”，可以在几何、物理与行为各个方面逼近物理样机。
①几何真实性。数字样机具有和实际产品相同的几何结构与几何尺寸，相同的颜色、材质与纹理，使得设计者能真实地感知产品的几何属性。
②物理真实性。数字样机具有和实际产品相同或相近的运动学与动力学属性，能够在虚拟环境中模拟零件间的相互作用。
③行为真实性。在外部环境的激励下，数字样机能够做出与实际产品相同或相近的行为响应。
2）面向产品全生命周期：数字样机技术是对物理产品全方位的计算机仿真技术，而传统的工程仿真只是对产品某方面进行测试，以获得产品在该方面的性能。数字样机是由分布的、不同工具开发的甚至是异构子模型所组成的模型联合体，包括产品的CAD模型、外观表示模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型（可制造性、可装配性等）、使用模型、维护模型和环境模型。
3）多领域多学科：复杂产品设计往往会涉及机械、控制、电子、液压、气动等多个不同的领域。要想对这些复杂产品进行完整、准确的仿真分析，必须将多个不同的学科领域的子系统作为一个整体进行仿真分析，使得数字样机能够满足设计者对产品进行功能验证与性能分析的要求。