本文探討了運動模擬軟件提升質量及效率的相關內容。

　　機械可以實現各種運動，但為何機械設計卻做不到呢?

　　盡管 3D 計算機輔助設計 (CAD) 已在機械設計行業站穩了腳跟，但機械設計在運動模擬和分析的應用上卻往往落后于飛機和汽車工業。即便說來已不新鮮，這種落后卻有一個合乎邏輯的原因。為解決自身產品所特有的一些問題，汽車和飛機制造公司充當了應用運動模擬技術的急先鋒。轎車、卡車和飛機的生產規模大、復雜性高，而汽車和飛機制造行業還要面對嚴格的政府監管，這促使汽車和飛機制造行業開發運動模擬技術，以將它們的 CAD 技術延伸到設計流程的更高邏輯階段，從而在此過程中節約數百萬美元的原型制造成本。

　　因此，汽車和飛機制造行業率先采用運動模擬技術有著充分的理由，但其它行業不仿效做法的理由可就有些奇怪了。如今，在家用電器、醫療設備和機床設計中應用運動模擬已不存在任何技術、成本或復雜性上的障礙。

　　在過去的五到七年中，運動模擬和分析軟件取得了穩步發展，較之大多數工程師所熟悉的上一代產品，在價格、功能和易用性上都具有優勢。將其作為完全集成的設計驗證要素在產品開發流程的每一級都發揮作用的條件已經成熟。高質量運動模擬和分析軟件目前的價格低于桌面 3D CAD 應用程序，非常便于第一線工程師使用，從使用效果上看，可以達到經過專門培訓的分析人員在使用上一代產品時的最好水平。最終結果是，機械設計人員在設計流程的各個環節均可實現更高的精確度。在設計流程的各個環節更廣泛地應用運動模擬軟件可以消除一些錯誤，而在原型制造階段糾正這些錯誤時需要付出高昂的代價，還可以縮短設計周期和投入市場時間。那些仍然認為運動模擬過于復雜和耗時而拒絕采用它的工程師已經落伍了。運動模擬技術上的進步最終將實現無縫設計環境，在這樣的環境中，高級數據模型的創建和測試同時進行，就好像它們是實際對象一樣。較之依賴實際原型的開發，在這些環境中，產品從設計、制造直至投入市場的周期更短，成本也更低。

　　模擬與動畫的比較

　　如今，大多數機械設計人員都會使用某種形式的動畫技術，這些技術內嵌在他們的 3D 設計應用程序中。這些工具顯示運動裝配體的嚙合情況并反映一些基本的干涉情況，但它們缺少完整的運動分析，因為它們沒有將各種裝配體零部件的質量考慮在內。它們顯示了運動情況，但沒有反映決定裝配體在作為實際對象時是否可以運作的基礎機理。

　　真正的運動模擬使用設計主體的物理基礎(包括質量)來精確地描繪它的運動情況。動畫程序的模擬運動只是以幾何位置為基礎，無法對重力和摩擦力這樣的力加以考慮，而這些力可以預測裝配體在實際環境中的運作情況。例如，動畫程序可以描繪機械中的一些基本運動情況，卻無法模擬機械中的齒輪、凸輪、閂鎖和力。運動模擬還可以幫助對機械正常運轉所需的啟動器或馬達做出估計。

　　這種能力解決了工程師所面對的最嚴峻挑戰之一，即設法了解要確定設計主體在實際環境中的運作情況，需要對設計主體的哪些部件施加多大的試驗負載。這種模擬在工程師的 3D 實體建模環境中進行。工程師在進行實際試驗時能夠獲得哪些數據，運動模擬便可以為他們提供哪些數據，而且不必再花費時間和金錢來制造原型。當工程師改變對裝配體施加的負載時，"假設"分析可以為其提供即時反饋來反映某些情況：例如，使用較粗的彈簧產生的力過大，因此應減小彈簧的粗度。以這些結果為基礎修改 3D 實體模型時，幾乎不會增加時間或成本，并可減少使設計主體符合成品要求所需制造的原型數量。如果沒有這種功能，公司將不得不建立實際原型，為其連接上各種傳感器，運行它來產生數據，然后再對這些數據進行分析。如果分析在此時揭示了某些缺陷，則意味著必須重新切割模具。顯然，這樣做的成本要比在模擬環境中進行調整高得多。

　　這些功能并不是什么新功能。如今，公路上行駛的、天空中飛行的每個交通工具中的每個裝配體都經過大強度的運動分析，而且早在只需為一種原型切割一個模具前便是如此。相對而言，稱得上新的是這種技術的可獲得性。直到大約七年前，高級運動模擬軟件的價格還高達數萬美元，而且只能在高性能的工作站上運行。如今，每套軟件的價格只有幾千美元，而且在普通桌面計算機上就可以運行。除了可獲得性不斷得到提升外，運動模擬軟件在其歷來見長的易用性上也更進一步。桌面計算機處理能力的提高和更為直觀的用戶界面將設置和運行運動模擬所需的時間從數小時縮短到只有幾分鐘。在過去，工程師需要花費幾個小時來設置模擬，而運行模擬則要持續一整夜;現在，他們可以在一天內完成模擬的設置和運行。

　　這種集高速度、低成本、簡易性和精確度于一身的優點使得各公司可以在設計周期的各個環節執行運動分析，從而實現了設計和分析的同步進行。在使用前幾代的產品時，為適應漫長的測試期，必須降低設計工作的速度或停止設計工作。盡管這種測試模式可以在原型制造階段前發現問題，但與在設計流程中進行全程測試相比，在成本效益上仍有差距。隨著設計的進行，問題會混雜在一起。與在設計周期早期發現的問題相比，在設計周期晚期發現的問題的"連鎖反應"更大，因為它們會影響相關的裝配體。

　　結合機械設計的三大領域

　　機械設計以三項功能為中心：創建設計主體、對其結構進行測試和對其運作進行測試。實現這三項功能的技術分別是 3D 機械設計軟件、采用有限元分析 (FEA) 的設計驗證軟件和運動模擬軟件。如今，3D 機械設計和 FEA 軟件往往集成在一個軟件包內，運動模擬仍被看做是附加軟件包。在五年內，使用集成的 3D 設計、FEA 及運動模擬環境的公司就會看到市場份額的增加和生產成本的降低。由于成本和復雜性因素不復存在，并且機械設計公司已經擁有了 3D 機械設計和 FEA 能力，它們沒有合理的理由不將運動模擬和分析整合到其設計流程中。如果機械設計公司客觀地看待運動分析，而不是只將它們當作漂亮的圖片，則其具有的成本和投入市場時間優勢便具備了令人無法忽視的說服力。