数字样机：从技术革新到产业赋能的演进之路

摘要：数字样机作为产品全生命周期数字化的核心技术，旨在通过虚拟化建模与仿真技术重构传统工业研发范式。

数字样机（Digital Prototype，DP）技术是一种数字化设计技术，利用数字样机替代原型样机，以展示产品结构和功能，对产品进行性能仿真、测试和评估的技术。数字样机则指基于计算机技术构建的物理产品数字化模型，涵盖几何属性、功能特性及动态行为等多维度信息，核心目标是通过虚拟仿真替代物理样机的试制与测试环节，降低研发成本并缩短周期。根据国家标准《机械产品数字样机通用要求》GB/T 26100-2010，数字样机需满足几何属性与功能性能的双重表达，并贯穿产品设计、制造、运维等全生命周期。

1946年，为解决炮弹弹道轨迹计算量大的问题，美国宾夕法尼亚大学开发了第一台通用计算机ENIAC，这被认为是世界上最早的数字样机技术。

随着20世纪90年代CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）技术、计算机网络技术的发展，1990年的美国波音777项目是第一个实现了在民机领域采用数字样机技术的项目。通过100%的三维数字化产品定义、100%的数字化预装配和100%的并行产品定义实现了全数字化定义和无图纸生产后，波音777的10万多个零部件实现了数字化设计，用计算机进行数字化预装配、设计更改，零件返工率减少了93%以上，装配问题则减少了50%-80%。

▲波音777项目构建的数字样机模型

进入21世纪后，数字样机技术得到了更加广泛的应用，特别是在复杂产品的设计和优化过程中，逐步从单一的几何建模与功能仿真扩展到更为复杂的多维度集成仿真。随着计算机硬件性能的不断提升，数字样机能够整合更多维度的信息，如材料性能、生产工艺、装配流程以及运维状态等，构建出更加完整的数字化产品模型。

数字样机技术的快速发展，不仅推动了工业设计范式的革新，也为制造业的智能化转型提供了重要支撑。随着物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的深度融合，数字样机正从单一的设计工具演变为贯穿产品全生命周期的核心使能技术，其应用范围从传统的航空航天、汽车制造等领域，逐步向能源装备、电子信息、医疗器械等更多行业拓展。

技术层面，数字样机正朝着高精度、多尺度、全要素的方向发展

高精度建模技术能够实现对产品微观结构的精确描述，为性能优化提供更可靠的数据支撑；多尺度仿真技术则突破了传统单一尺度的局限，实现了从微观材料特性到宏观系统行为的跨尺度协同分析；全要素集成技术通过整合产品设计、制造、运维等各环节的数据，构建了完整的数字孪生体系，为产品全生命周期管理提供了统一的数据底座。

应用层面，数字样机正从单一的产品设计工具向智能制造系统演进

通过与工业互联网平台的深度融合，数字样机实现了从虚拟空间到物理空间的闭环反馈，形成了“设计-制造-运维”一体化的数字孪生体系。智能工厂中，数字样机被用于产品设计验证，还可指导生产线的布局优化、工艺参数的自适应调整以及设备状态的预测性维护。

产业层面，数字样机正成为推动制造业数字化转型的关键引擎

数字样机行业方向有助于实现产业链上下游的协同创新与资源共享，同时也催生了一批新型工业软件企业，推动了国产工业软件生态的构建。据统计，2024年我国数字样机相关市场规模已突破188亿元，预计复合年均增长率约为24.92%。

展望未来，数字样机技术将继续向智能化、云化、服务化方向发展。人工智能技术的引入将使数字样机具备自主学习和优化能力，实现设计方案的智能生成与优化；云计算技术的应用将推动数字样机向云端迁移，实现资源的弹性调度与协同共享；服务化转型则使数字样机从工具软件向服务平台演进，为中小企业提供普惠化的数字化转型服务。可以预见，随着技术的不断突破与应用的持续深化，数字样机将在推动制造业高质量发展、构建现代产业体系中发挥更加重要的作用。

迪捷软件：基于全数字实时仿真的数字样机解决方案

本方案基于航空、航天、船舶、核工业、机械、兵器、电子、电力、汽车、轨交等多维度安全关键领域的嵌入式系统软件研制过程中对构建数字样机的场景需求，着力解决硬件资源不足、不同仿真软件工具不兼容不互通导致研发效率低下的问题难点，通过采用国产自主可控的全数字实时仿真技术和多领域多学科协同仿真技术，实现硬件装备数字化和不同仿真软件的联合仿真，支持快速构建数字样机和虚拟原型，从根本上提升嵌入式软件研发效率。

方案能够支持快速生成嵌入式产品虚拟原型，可大幅缩短传统基于硬件的原型制作周期，使得工程师可以快速进行设计验证。在虚拟环境中对嵌入式系统软件进行测试和验证，可以避免在产品实际制造阶段进行大规模修改，降低整体成本。