虚拟设计技术在产品三维造型设计中的应用研究

张高美 董兵兵

摘要：虚拟设计是建立在计算机辅助设计的基础上的创新性设计方法。传统的产品三维造型设计研发模式过程中，由于设计师和制造部门本身各自存在的弱点。一个新产品的批量生产需要两者反复沟通、修改与打样，设计过程冗长，设计制造成本高。文中将虚拟设计技术融入到设计师进行产品三维建模的过程中，增加设计师所设计产品的可行性，缩短设计周期，减少设计成本，最终达到提高产品竞争力与创新能力的作用。

关键词：虚拟设计；产品三维造型设计；可行陛；设计成本

虚拟设计（Virtual design）是上个世纪90年代兴起的新技术。其作为制造业的基础技术近年来得到飞速发展，并为各种制造模式的应用提供有力的支撑”[1]。虚拟设计是由多个学科的先进知识形成的综合系统技术，它以计算机仿真技术为前提，在产品设计阶段实时、并行地模拟出产品开发的全过程及其对产品设计的影响，并预测产品的性能、制造成本、可制造性、可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次性成功率。

虚拟设计技术的使用在产品开始历史上拥有重要地位，使用虚拟技术可以将传统的物理模式转换为精确的数字模型”，为现代制造业及产品设计的发展提供了极大的便利。设计者可以在虚拟环境中，利用不同的交互手段对参数化的模型进行设计和修改。与传统设计不同的是虚拟设计能在产品投入制造前就能看到并且分析产品，在设计过程中无需代价便可以反复修改设计，以达到产品的开发周期及成本最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化。

1产品三维造型设计传统研发模式及主要存在的问题

1.1产品三维造型设计传统研发模式

在传统的产品三维造型设计研发过程（如图1）中，设计师需要先对该产品所面对的消费对象、市场环境、应用范围和背景等进行市场调查，根据调查结果针对该群消费对象进行需求分析，然后总结出本次设计的主要创意点等，进行设计定位。接下来就进入产品三维造型的设计阶段：设计师先利用传统二维手绘的方式画出一系列方案草图，随后设计师与客户进行沟通筛选出初步方案。接着设计师根据筛选出的初步方案进行三维建模、渲染，并将最终渲染图交给客户确认，确认完毕后将设计图交给制造部门。

制造部门根据现有的设备、人员、物料等对设计进行工艺及可加工性分析，若可加工性不好或成本太高，制造部门再对设计提出修改意见并反馈给设计师，设计师根据修改意见对产品进行修改后再将图纸交给制造部门，制造部门根据图纸制造出样品后进行试验，若样品没有问题则可批量生产，如果仍然有问题则还需要将图纸反馈给设计师再次反复修改，直到样品无误方可进行新产品的批量生产。在这个过程中我们可以发现产品外观的设计的实现必须经历周而复始的设计一实验一打样，才能最终实现批量生产[3]。

1.2主要存在问题

通过上述传统的设计研发模式，我们可以发现产品从设计初期的概念到最终能实现批量生产这一过程是十分复杂且冗长的，它的最终实现除了造型具有美观性等特点外，还需要设计师所设计的造型具有可生产性。而我国传统的设计师的成长背景都是艺术类，设计师在对产品的三维造型进行设计时更多的是考虑三维造型的美观性、实用性等方面，缺乏制造行业的基本知识。因此出现了设计定稿后交给制造部门后，制造部门会根据可生产性对设计稿反复提出设计修改意见，并交由设计师反复修改。而制造部门之所以并没有直接修改设计稿，而是将修改意见交给设计师让设计师修改的原因，也是因为制造部门缺乏一定的艺术修养，由制造部门修改的设计稿往往容易偏离设计初衷，因此需要设计师和制造部门反复沟通交流并修改至最终方案。

产品三维造型设计的传统研发模式周期是漫长的，设计、制造成本普遍偏高，尤其对于造型复杂的产品，更加无法达到缩短设计周期和降低成本的目的。而现代市场经济活跃，一款新产品面市后市场反应普遍比以往更活跃，这就需要设计师和制造部门能灵活应对市场反应，及时调整设计方案，对产品进行改进及更新换代。如果沿用传统的产品三维造型设计模式根本无法跟上市场的步伐，最终的结果就是产品生命周期缩短，加速了产品的灭亡。

2虚拟设计技术在产品三维造型设计研发中的应用及其优势

2.1虚拟设计在产品三维造型设计中的应用

虚拟设计主要应用为：虚拟产品设计、虚拟装配设计、虚拟人机工程学设计[4]。本次研究的重点在于虚拟产品设计和虚拟装配设计。虚拟产品设计是设计师可以利用现有的CAD模型转换到虚拟现实VR （Virtual Reality）环境中，让设计师、客户来感知产品，并直接在虚拟环境中进行设计与修改。虚拟装配设计是将传统的产品造型装配过程在计算机上实现，通过仿真模型在计算机上进行工艺规划、加工制造、装配和调试这一系列的过程。

传统的产品造型研发过程中，设计师普遍采用犀牛（Rhino）等图形绘制类三维建模软件建模，因为该类软件有着非常强大的曲面建模命令，能建出非常丰富多变的曲面造型，但是该类建模软件的数据往往不能直接用于制造生产，因此仍需要转换成工程类建模软件格式，才能进行下一步的工艺及可加工性分析，这一过程往往容易出现破面或者数据丢失。

将虚拟产品设计技术和虚拟装配技术（如图2）融入三维建模后，设计师可以利用PRO/E这类工程类建模软件对产品进行建模并进行仿真装配，进而在该软件中对产品造型的各个组成模块进行运动干涉检测，预测到产品在运动过程中、特殊状态下或产品造型的细节部分等的干涉情况，实时、并行地模拟产品的制造过程，预测产品的性能、成本和可生产性，避免设计师对产品制造知识完全不懂的状况，减少设计师与制造部门的反复沟通的次数和产品打样的次数。

2.2虚拟设计应用在产品三维造型设计中的优势

虚拟设计技术能够实时的、并行的修改产品数据，设计师能够通过多维的信息环境与产品进行自然的交互，从而进一步深化概念及产生新的创意。产品三维造型设计的真正目的是为了更好的服务消费者，只有设計用自己的切身体会去真正感知所设计的产品才能真正实现服务的意义和价值。

首先是虛拟设计的直观性：以往设计师需要根据客户的要求做出方案，接着将方案交给客户提出不足和进一步的要求，再通过设计师的反复修改，最后得出样机后再根据样机修改方案，这些复杂的过程往往给产品增加了很多成本。虚拟设计的介入能让客户和制造部门直接参与到设计过程中来，在虚拟的环境下直接修改设计方案，减少了实物模型和样机的制作，大大降低了成本，提高了产品设计的成功率。

其次是虚拟设计的并行性：产品的造型是由不同的模块拼合而成，设计师在传统的设计研发模式过程中如果产品造型的其中一个模块需要修改，就要对整个产品造型全部冲建模。虚拟设计介入后，设计师只要修改其中该模块的数据或单独对其中一个模块进行建模，由于虚拟设计的并行性，整个产品造型的数据会根据新的数据自动匹配修改，减少了设计师的重复性工作，提高了工作效率。

最后是虚拟设计的介入能降低产品的开发风险：业内专家指出，利用虚拟技术通常可使产品的开发效率提高3至5倍[5]。虚拟设计能直接参与的性质能加深产品设计各方面的沟通，能更直观的感受到产品，避免了由于对新产品的不了解而导致的各种误差与细节的遗漏，大大降低了产品的开发风险。

3结语

在产品三维造型设计的研发过程中，我们主要是将虚拟设计技术应用在设计师进行三维建模的过程中。改善设计师不懂制造类专业知识，从而导致所设计的产品造型在与制造部门沟通后，需要反复修改的状况。避免反复修改与打样，缩短设计周期，降低成本，并能灵活的对产品模型进行修改与反馈，增加产品的生命周期。为产品的创新设计起到积极主动的作用，带来更大的经济和社会效益。

参考文献

[1]叶聪，宗立成，陈登凯.虚拟设计在潜水器舱室布局设计中的研究[J].机械设计，2015，32（1）：6-12.

[2]严隽琪.虚拟制造的理论、技术基础与实践[M].上海：上海交通大学出版社，2003.

[3]陶表达，姚桂玲.虚拟技术在现代机械产品研发中的应用[J].湖北第二师范学院学报，2010，27 （2）：105-107.

[4]曹亚光.虚拟制造设计技术在产品设计及性能分析中的应用[J].机电产品开发与创新，2008，21 （4）：116-120.

[5]薛建华，安秀.论虚拟设计在现代产品开发中的重要作用[J].计算机技术与发展，2006，16（11）：182-184.