虛擬樣機及仿真技術(shù)在飛機調(diào)試中的應(yīng)用

崔少華

摘要：仿真技術(shù)，又被稱為模擬技術(shù)，其存在，就是使用一套虛擬的系統(tǒng)來模擬另外一種真實系統(tǒng)及環(huán)境的技術(shù)。仿真技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療、工業(yè)、建筑等行業(yè)發(fā)揮了重要的作用， 其低價、高效、真實模擬等特點，極其適用于飛機調(diào)試上，仿真技術(shù)必將發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟效益和技術(shù)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機；仿真技術(shù)；調(diào)試；數(shù)據(jù)分析

一、虛擬仿真技術(shù)的基本特性和現(xiàn)狀

1.虛擬仿真技術(shù)具有以下四個基本特性：

（1）沉浸性。在虛擬仿真系統(tǒng)中，操作者，可以通過視覺、聽覺、觸感等方面，來獲得身臨其境的感受，從而反映出特定環(huán)境下，操作者緊急處理辦法等。理想的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能。

（2）交互性。虛擬仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進行控制，而且人是以近乎自然的行為（自身的語言、肢體的動作等）進行控制的，虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫崟r的反應(yīng)。例如，當飛行員按動導(dǎo)彈發(fā)射按鈕時，會看見虛擬的導(dǎo)彈發(fā)射出去并跟蹤虛擬的目標；當導(dǎo)彈碰到目標時會發(fā)生爆炸，能夠看到爆炸的碎片和火光。

（3）虛幻性。虛擬仿真系統(tǒng)，可以模擬出特定情況下才會發(fā)生的事件，比如自然災(zāi)害、機械故障失靈等環(huán)境，來測試工作人員的應(yīng)急反應(yīng)。也可以創(chuàng)造出古代、未來、甚至是不存的虛幻世界。

（4）逼真性。虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個方面：一方面，虛擬環(huán)境給人的的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺都是那么逼真，如同在真實世界一樣；另一方面，當人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。如當給虛幻物體一個作用力，該物體的運動就會符合力學(xué)定律，會沿著力的方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度；當它遇到障礙物時，會被阻擋。

2.仿真虛擬技術(shù)的現(xiàn)狀

我國仿真虛擬技術(shù)發(fā)展較晚，資金投入相對較少，因此，與國外有一定的技術(shù)差距，主要表現(xiàn)在建模、系統(tǒng)工程、經(jīng)濟效益等方面。

建模需要對實物或者環(huán)境，有著深入的了解和長時間積累的經(jīng)驗作為前提。國外在這方面起步早，有著豐富的建模經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)，而我國由于經(jīng)驗不足和資金缺乏，大部分建模是用計算數(shù)據(jù)作為參考，效率較低。

在經(jīng)濟方面，國內(nèi)的仿真模擬技術(shù)并未形成產(chǎn)業(yè)化，仍然處于起步階段，技術(shù)大多是像國外學(xué)習(xí)，沒有自主創(chuàng)新的能力。但是，這并不妨礙仿真模擬技術(shù)為各行業(yè)做出貢獻。

二、虛擬樣機和仿真技術(shù)在飛機研制、生產(chǎn)、調(diào)試中的應(yīng)用

1.虛擬樣機的優(yōu)勢和特點

（1）虛擬樣機可以在開發(fā)階段，就可以給用戶看到模擬出的樣機。提前對用戶的滿意度進行評估，聽取用戶意見，提高樣機的完成速度、減少修改率。

（2）直觀、快速的將設(shè)計師的想法，展現(xiàn)給用戶，可以對功能等方面早作評測。

（3）使用虛擬樣機進行測試與評估，可以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的漏洞，對飛行數(shù)據(jù)提前進行分析，大大減少了返工率。

圖2.1仿真軟件進行虛擬調(diào)試圖

飛機，是世界空軍中的戰(zhàn)斗主力，利用虛擬仿真技術(shù)，可以及早的在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，根據(jù)數(shù)據(jù)測試，提前發(fā)現(xiàn)試飛時可能出現(xiàn)的問題，進行預(yù)防處理，不論是從經(jīng)濟、還是效率上，都可進行極大的節(jié)省與提高。

2.在飛機研制中的應(yīng)用

（1）運動和動力學(xué)仿真。飛機的氣動布局是否符合空氣動力學(xué)原理、運動過程中的阻力、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的合理性等，在飛機設(shè)計階段就可利用計算機仿真技術(shù)展示出產(chǎn)品的行為，動態(tài)表現(xiàn)產(chǎn)品的性能，產(chǎn)品設(shè)計必須解決運動構(gòu)件工作時的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查、產(chǎn)品動力學(xué)性能、強度、剛度等。例如，生產(chǎn)線上各個環(huán)節(jié)的動作協(xié)調(diào)和配合是比較復(fù)雜的，采用仿真技術(shù)，可以直觀地進行配置和設(shè)計，保證工作的協(xié)調(diào)。

（2）虛擬建模設(shè)計。在飛機設(shè)計、生產(chǎn)過程中往往需要制造數(shù)量非常龐大的部/附件原型，而實際工作中不可能一次性就將成千上萬個部件正確地裝配在一起來滿足設(shè)計要求。 部/附件之間的配合性和可裝配性是設(shè)計人員常易出現(xiàn)錯誤的地方，以往要到產(chǎn)品最后裝配時才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致零件的報廢和工期的延誤，造成巨大的經(jīng)濟損失和浪費。因為采用二維圖樣進行線性設(shè)計，無法預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計造成的裝配干擾等問題。

目前，機械設(shè)計基于CE原則，采用三維圖樣的立體模型，使得在設(shè)計產(chǎn)品時就可以確定產(chǎn)品的所有物理性能，包括重力、質(zhì)量、剖面特性及重心等。通過裝配模擬軟件，產(chǎn)品設(shè)計人員可以檢查部件的間隙和相互干擾，并在實際加工之前就建立整個產(chǎn)品的虛擬工作原型，對此虛擬原型進行試驗、分析應(yīng)力和變型等。若設(shè)計不符合標準，可以十分方便地更改模型，并重新生成模型。

圖2.2正在進行中的飛機調(diào)試圖

另外，虛擬制造系統(tǒng)可以提供可合作性的分析支持，為合作伙伴提供協(xié)同工作環(huán)境和虛擬制造動態(tài)組合及運行支持環(huán)境。虛擬制造系統(tǒng)可以將異地的、各具優(yōu)勢的研究開發(fā)力量，通過網(wǎng)絡(luò)和視像系統(tǒng)聯(lián)系起來，進行異地開發(fā)，網(wǎng)上討論。從飛機需求分析、設(shè)計、零部件生產(chǎn)、總成裝配、試驗、試飛以至后續(xù)服務(wù)這一全過程中各個環(huán)節(jié)都可以進行仿真，為虛擬制造動態(tài)組合提供支持

三、結(jié)束語

虛擬樣機及仿真技術(shù)，作為一門新興的技術(shù)，對于設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試等方面，有著極大的經(jīng)濟效益和技術(shù)優(yōu)勢。國外已經(jīng)將此技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。我國在此技術(shù)上，雖然起步較晚，但是仍然涌現(xiàn)出大批高技術(shù)人才。鑒于航空領(lǐng)域的復(fù)雜性和綜合性，虛擬仿真技術(shù)，必將能在此領(lǐng)域大展拳腳，為企業(yè)創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 陳軍，周曉平，郝江濤 等.基于MatLab & Simulink的電工電子技術(shù)仿真實驗平臺[J].