虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

李寒杰

（徐州東方傳動(dòng)機(jī)械有限公司，江蘇 徐州221116）

虛擬樣機(jī)技術(shù) (Virtual Prototyping Technology，VPT)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，它是在制造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析和控制理論為核心，運(yùn)用成熟的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，將產(chǎn)品各零部件的設(shè)計(jì)和分析集成在一起，建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型，從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化提供基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究平臺(tái)。因此虛擬樣機(jī)亦被稱為數(shù)字化功能樣機(jī)。利用虛擬樣機(jī)可以代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，從而縮短開發(fā)周期，降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。

傳統(tǒng)的仿真一般是針對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)的仿真，可是，人們已清楚地認(rèn)識(shí)到：即使系統(tǒng)中的每個(gè)子系統(tǒng)都是經(jīng)過優(yōu)化的，也不能保證整個(gè)系統(tǒng)的性能是良好的，即系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化絕不是系統(tǒng)中各子系統(tǒng)優(yōu)化的簡單疊加。而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是強(qiáng)調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬整機(jī)與虛擬環(huán)境的耦合，對(duì)產(chǎn)品多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估，并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直到獲得最優(yōu)的整機(jī)性能。

另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是一個(gè)串行的過程，各子系統(tǒng)如：整機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)都是獨(dú)立的，忽略各子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設(shè)計(jì)的不足往往到產(chǎn)品開發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把系統(tǒng)的測(cè)試分析作為整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的驅(qū)動(dòng)。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)已在國內(nèi)外產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造工業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等諸多方面。

2.1 國外虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

美國波音飛機(jī)公司波音777飛機(jī)是世界上首架以無圖紙方式研發(fā)機(jī)制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析就是采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)。對(duì)比以往的飛機(jī)研制，波音777成本降低25%，制造周期縮短50%，并且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功。

作為生產(chǎn)工程機(jī)械的著名廠商John Deere公司，為解決工程機(jī)械在高速行駛時(shí)的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動(dòng)問題，公司的工程師利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，并且在虛擬樣機(jī)上得到驗(yàn)證，從而大大提高產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能。在此之前，傳統(tǒng)的分析方法始終找不出原因。

福特、Caterpillar等國外著名公司也廣泛采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，以減低開發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 國內(nèi)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究應(yīng)用

在國內(nèi)，目前對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用研究，一方面集中于對(duì)其技術(shù)內(nèi)涵、組成、運(yùn)行模式、體系結(jié)構(gòu)及其使能技術(shù)進(jìn)行探討，以期構(gòu)建自主的虛擬樣機(jī)開發(fā)支持環(huán)境。另一方面，則側(cè)重于虛擬樣機(jī)技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究。如中航第一飛機(jī)研究院成功推出國內(nèi)首架飛機(jī)全機(jī)規(guī)模電子樣機(jī)；863項(xiàng)目“月球表面探測(cè)機(jī)器人方案研究”，則運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬月面計(jì)算仿真環(huán)境，并對(duì)涉及到的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，取得很好的成果。各研究院所紛紛開展虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等方而的應(yīng)用研究、仿真分析及二次開發(fā)。通過對(duì)虛擬樣機(jī)各關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，必將促進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用，增強(qiáng)我國企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用

3.1 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本內(nèi)涵

新型工程機(jī)械的開發(fā)受到產(chǎn)品安全性、可靠性、舒適性、美觀性、可制造性及可維護(hù)性等的制約，在虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下，利用其可視化優(yōu)勢(shì)，使技術(shù)設(shè)計(jì)、部件裝配、結(jié)構(gòu)分析和性能優(yōu)化融合在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，并綜合考慮車輛的外觀總體布局及一些諸如運(yùn)動(dòng)約束，可接近性等特征，對(duì)產(chǎn)品幾何尺寸、功能、制造等進(jìn)行交互式快速建模與分析，生成的模型可被直接操縱與修改，數(shù)據(jù)可被反復(fù)重新利用。

虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域可應(yīng)用的方面有：履帶式和輪式車輛穩(wěn)定性、操作性能研究，液壓系統(tǒng)、牽引設(shè)備性能預(yù)測(cè)，推土機(jī)、挖掘機(jī)、林業(yè)機(jī)械等動(dòng)態(tài)性能研究，零部件和發(fā)動(dòng)機(jī)載荷預(yù)測(cè)與尺寸確定，駕駛員視野研究，預(yù)測(cè)挖掘機(jī)所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。

3.2 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)工程的體系結(jié)構(gòu)

工程機(jī)械是典型的機(jī)、電、液一體化的設(shè)備，其虛擬樣機(jī)工程的體系結(jié)構(gòu)可以抽象為由協(xié)同設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)、產(chǎn)品模型、虛擬樣機(jī)引擎和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化環(huán)境四部分組成，如圖1所示。其中，協(xié)同設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)提供一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，包括集成平臺(tái)/框架、項(xiàng)目管理等工具。產(chǎn)品模型包括系統(tǒng)產(chǎn)品主模型、機(jī)械子系統(tǒng)模型、電子系統(tǒng)模型、液壓子系統(tǒng)模型、控制子系統(tǒng)模型，軟件子系統(tǒng)模型、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品主模型負(fù)責(zé)產(chǎn)品在系統(tǒng)級(jí)層次上的設(shè)計(jì)與樣機(jī)的外觀、功能、性能的建模，如樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模仿真。VP引擎包括各領(lǐng)域CAX/DFX工具集，對(duì)樣機(jī)外觀/功能、性能及環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，并將生成的數(shù)據(jù)送入VR可視化環(huán)境，從外觀、功能及在虛擬樣機(jī)環(huán)境下的各種行為上展示虛擬樣機(jī)。

圖1 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)體系結(jié)構(gòu)

3.3 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)的開發(fā)流程

虛擬樣機(jī)的開發(fā)流程如圖2所示，從產(chǎn)品需求分析到評(píng)估測(cè)試，通過使用相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)工具，在虛擬環(huán)境中構(gòu)造產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，這是一個(gè)循環(huán)漸近的過程?；诋a(chǎn)品的開發(fā)要求，采用相應(yīng)的仿真分析工具對(duì)虛擬樣機(jī)的功能/性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)虛擬樣機(jī)的行為進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)仿真分析結(jié)果，通過產(chǎn)品全生命周期的反復(fù)建模/仿真分析與模型的改進(jìn)，開發(fā)出滿足產(chǎn)品預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的虛擬樣機(jī)。

圖2 虛擬樣機(jī)開發(fā)的一般流程

3.4 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

虛擬樣機(jī)工程總體技術(shù)應(yīng)從全局出發(fā)，解決涉及到系統(tǒng)全局的問題，考慮構(gòu)成虛擬樣機(jī)工程各部分之間的關(guān)系，規(guī)定和協(xié)調(diào)各部分系統(tǒng)的運(yùn)行，并將它們組成有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享，實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)。虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成：:初步設(shè)計(jì)方案的確定、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，各個(gè)部分由不同的設(shè)計(jì)人員并行設(shè)計(jì)。由于各部分的功能活動(dòng)存在相互依賴的關(guān)系，為保證產(chǎn)品開發(fā)隊(duì)伍的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動(dòng)的信息交換與共享，必須對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和監(jiān)控及構(gòu)造合適的并行設(shè)計(jì)工作環(huán)境，以保證并行設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，縮短虛擬樣機(jī)開發(fā)周期。圖3為工程機(jī)械虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖。

3.5 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)的構(gòu)建

根據(jù)并行設(shè)計(jì)思想，運(yùn)用目前市場(chǎng)上一批成熟的CAD，CAE商業(yè)軟件，可構(gòu)建實(shí)現(xiàn)如圖3所示的工程領(lǐng)域虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三維CAD設(shè)計(jì)方面有Pro/Engineer，UG，SolidWorks，SolidEdge等。結(jié)構(gòu)分析軟件有ANSYS，PATRAN，NASTRAN，MARC等。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件可采用ADAMS軟件。控制系統(tǒng)仿真軟件可采用MATHWORKS公司的MATLAB軟件。CAD，CAE軟件的商業(yè)化提供了上述各軟件之間數(shù)據(jù)的相互接口，并且具有十分強(qiáng)大的二次開發(fā)能力。通過三維CAD設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型可傳入結(jié)構(gòu)分析軟件和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行分析。在ADAMS中建立多體模型并定義變量，定義的變量通過ADAMS和MATLAB的接口，傳輸?shù)組ATLAB中，對(duì)控制方案進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果可再傳回ADAMS中進(jìn)行分析。通過重復(fù)這樣的設(shè)計(jì)—仿真交互，直到得到滿意的結(jié)果。

圖3 工程機(jī)械虛擬樣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展前景

虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)可擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴，體現(xiàn)一種全新的開發(fā)模式，它在工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，必將給企業(yè)帶來重大的影響。

（1）高效的開發(fā)手段促使產(chǎn)品的更新?lián)Q代加快，產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)降低，企業(yè)的生產(chǎn)效率將大大提高?！白羁煺呱妗睂⒊蔀槠髽I(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的法則。

（2）虛擬產(chǎn)品的銷售。虛擬樣機(jī)技術(shù)和柔性制造技術(shù)已經(jīng)使虛擬產(chǎn)品銷售成為可能，即企業(yè)先通過虛擬樣機(jī)找到客戶，再組織生產(chǎn)。因此企業(yè)在產(chǎn)品制造和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面更具靈活性。

（3）企業(yè)間的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟。產(chǎn)品的數(shù)字化使企業(yè)能夠通過Internet進(jìn)行產(chǎn)品信息的快速交流，克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性，將具有開發(fā)某種新產(chǎn)品所需的知識(shí)和技術(shù)的不同組織或企業(yè)組成一個(gè)臨時(shí)的企業(yè)聯(lián)盟，即企業(yè)間的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，以適應(yīng)瞬息萬變的市場(chǎng)需求和激烈競(jìng)爭(zhēng)。

（4）對(duì)技術(shù)人員提出更高要求?；谔摂M樣機(jī)技術(shù)的并行工程是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，是對(duì)產(chǎn)品相關(guān)過程進(jìn)行并行、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)技術(shù)。它組織多學(xué)科的產(chǎn)品開發(fā)小組協(xié)同工作，因此各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)員必須了解虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)專業(yè)的知識(shí)，專業(yè)分析員也必將轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)者。協(xié)同工作能力將成為企業(yè)技術(shù)人員最重要的素質(zhì)。

可以預(yù)見，在21世紀(jì)虛擬樣機(jī)技術(shù)必將成為工程機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的主流。國內(nèi)各企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)它的應(yīng)用研究，使產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，迎接全球經(jīng)濟(jì)一體化的挑戰(zhàn)。

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