浅谈虚拟样机技术.docx

虚拟样机技术及应用
（课程考试）

题目: 浅谈虚拟样机和虚拟样机技术

学生: 　　　陈川　　　　

班级: 　　机制1001班　　　

学号: 　 2010200626　　

指导教师: 王春光

浅谈虚拟样机和虚拟样机技术
一 虚拟样机产生的背景
进入21 世纪, 科学技术突飞猛进, 社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切, 对产品性能的要求也越来越高, 全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化, 导致市场竞争日趋激烈, 而竞争的核心则主要体现在产品创新上, 体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中, 在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求, 虚拟样机技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。
传统的产品设计模式通常采取的是一种设计→制造→试验→改进→设计的串行设计模式，尽管在结构设计方面采用CAD、CAE等软件，但由于不同学科软件相对独立性，产品的性能指标往往是通过大量的试验来确定特征参数。而且降低了产品的总体性能，使产品研发周期长、效率低。
如在传统的印刷机械设计工作过程中，都是由工程师先根据机器功能改进的需要，进行理论选型，然后计算结果，画出机械零件图、部件图和装配图，再交给车间进行试制。待样品出来以后，对样品进行运转测试，把测试到的实际结果与设计前的理论构想进行比对，寻找差异产生的原因，再重新进行设计上的修改，直到样品满足改进的需要。这种设计过程，需要的周期长，样品试制费用高，往往不能满足市场对新机器换代及时性的要求，带来了人力物力的巨大浪费。为了改变这些现象，提高产品的性能，缩短生产周期，降低生产成本，各行各业都在不断地创新，开发新的技术。这样通过不断地创新、改进，近年来终于找到了解决这些缺点的方法，并提出了虚拟样机技术。
二 什么是虚拟样机
虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。
虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。利用这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，然后以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。
虚拟样机被美国国防部建模和仿真办公室(DMSO)定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。
虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现。
复杂的机械产品往往是由一个群体共同完成的，包括产品的设计、生产、销售、维护管理直至用户等各类人员。协同设计方法是CSCW在CAD领域的应用，它可消除空间的限制，使不同地区的设计人员不用离开办公室就可以互相通讯、共同讨论、协同工作。协同设计方法的特点是群体性、动态性、并行性、异地性、异时行。虚拟样机是一种数字产品模型，具有它所代表的各种性能和特征，虚拟样机在投入生产甚至详细设计以前已经存在具有明确的可视性，可同时进行协作设计和生产。
三 虚拟样机技术
虚拟样机技术的核心是工程设计技术、建模 /仿真技术和虚拟现实/VR技术。虚拟样机的技术基础，主要包括五个方面：即几何建模、多物理场仿真、系统动力学仿真、控制系统仿真和样机测试。
虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。
虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件问的约束关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观测并试验各组成部分的相互运动情况。利用虚拟样机技术可方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案以后，再制造物理样机。
虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统的最佳设计方案为止。虚拟样机技术的应用贯穿于整个设计过程中，它可用在概念设计和方案论证中，设计者将自己的经验与想象结合在虚拟样机里，让想象力和创造力得到充分发挥。用虚拟样机替代物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计效率也得到了提高。
   虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统动力学和运动学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的动力学和运动学分析，以确定系统及其构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。
虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术是在CAX（如CAD，CAM，CAE等）／DFX（如DFA，DFM等）技术基础上的发展，它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，并将这些技术应用于复杂系统的全生命周期和全系统，以便对系统进行综合管理。从系统层面来分析复杂系统，虚拟样机支持“由上至下”的复杂系统开发模式。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。
虚拟样机技术在国内面临的问题
目前国际上对虚拟样机技术的研究已趋成熟, 商品化的软件系统正逐渐在工程设计实践中得以推广利用, 它正在由分析专家的专用研究工具逐渐向普通工程设计人员易于掌握的工程设计的工具转变;但这项技术在国内仍面临着许多问题, 主要表现在以下几个方面：
1) 目前国内的研究范围较窄, 仅停留在多体系统动力学的领域内, 且仅停留在实验室阶段, 尚难以在工程实践中应用。对于由少量刚体组成的简单系统, 用任何一种方法, 甚至手工推导都可进行动力学分析; 但是对于由大量刚体组成的复杂系统, 若不借助于计算机, 人们是无法进行仿真分析研究的。从这个角度上讲, 如果没有工程设计人员易于掌握的机械系统仿真分析软件, 多体系统动力学的理论再精妙、再完美也只能停留在纸上, 而无法解决现实中的工程问题。国内在虚拟样机方面的研究工作中对这方面的重视程度还很不够, 有待进一步加强。
2) 对相关技术的研究不足。1 9 6 6 年罗伯森和维滕堡创造性地将图论引入多刚体系统动第2 期张旭等: 机械系统虚拟样机技术的研究与开发力学, 使这个学科分支一度呈现出崭新的形态。在此之后, 国外有些学者较深入地研究了图论在多刚体系统动力学领域的应用, 取得了一定的成果, 如修斯顿等人提出了“ 低序体阵列” 的概念, 并在此基础上发展了一套独具特色的多体系统动力学的建模方法—“ 有限段建模法” 。与国外的研究及其成果相比, 国内学者在这方面投入的精力不多。受“ 面向对象技术” 在计算机及其相关领域内的快速发展和成功应用的影响, 目前国外已有学者开始研究如何将面向对象技术应用到虚拟样机技术中来。事实上, 国外学者在这方面的研究已引起业界有关方面的重视, 而国内在这方面的研究却是一片空白。机械系统虚拟样机技术涉及到大量描述机械系统及其力学特性的数据。这些数据如何存储, 并使所存数据有足够的灵活性, 以适应实际机械系统结构及组成的多样性和复杂性, 还必须考虑所存数据的一致性; 如何对各种相关信息进行添加、修改、删除、查找等操作; 如何使数据与面向对象技术的要求和谐一致等: 都要由数据结构来解决, 而国内学者很少进行这方面的研究。
3) 对机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商品化的重要性及迫切性认识不足。虚拟样机技术在工程中应用的前提条件是软件, 只是商品化的软件为机械系统设计师所使用, 其巨大的社会效益和经济效益才会体现出来。国内学者对于机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商品化工作的重要性及迫切性认识不足, 至今尚无进行商品化软件开发的迹象, 而国外先进的、商品化的虚拟样机技术软件都具有良好的图形用户界面, 具有直观、自然、友好、方便等优点。国内学者在这方面的工作远远不够, 这是国内同类软件只能停留在实验室中, 一般人员难以使用的根本原因之一。

四 虚拟样机技术的工程应用
虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造、工程机械、航空航天、造船、机械电子工业、国防、通用机械到人机工程学生物力学医学以及工程咨询等很多方面。
在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间并提供了满意的设计方案。如美国波音公司的波音777大型客机是世界上首架以无图纸研发及制造出来的飞机。其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但是研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次性装接成功。对比以往的飞机，波音公司减少了93%的更改和94%的花费。
国外已经有许多汽车厂商利用虚拟样机技术对汽车动力性能进行了仿真分析。例如，对Ford Broncoll II进行的整车操纵性模拟分析，当车速为72km/h、0.4s内输入阶跃激励，仿真得出的横摆角速度和侧向加速度数值与试验结果具有很好的一致性。
整车动力学分析的过程包括：
1、建立整车模型（底盘模型、前后悬架、转向、轮胎等）；
2、根据所进行的分析类型按照国家的试验规定编写相应的路面输入文件；
3、对整车模型进行校正、调试，设定动力学分析参数；
4、分析结果的处理。使用创建的整车动力学模型一般可以进行的分析包括：操纵稳定性（稳态回转、角阶跃输入、转角脉冲输入、转向回正性能、单移线试验、S形转向）、振动特性（起步、制动时点头仰头）、平顺性（冲击输入路面）、制动特性（直线制动、转向制动）等，当然也可以根据客户的特殊要求进行特定项目的分析。
五 总结
国际上较成功的软件系统, 都是在专门的公司里经过20 多年的不断发展, 才达到目前水平的。当前我们的任务是综合上述各方面的研究, 设计开发机械系统虚拟样机技术软件系统的原型系统, 探索并尽可能发现问题, 为深入研究机械系统虚拟样机技术及其软件系统奠定基础。
虚拟样机技术是一门新兴技术，它面向全系统的全生命周期，是研究、开发研制和使用者之间的联系更为有效，加速了新技术项产品转化的开发研制和使用过程，并通过全生命周期协调，利用强健的仿真技术来降低技术风险，提高产品质量、缩短研发周期、降低成本、增强企业竞争力，有利于提高我国企业在世界制造业中的地位。