在各種成熟的三維CAD、CAE商業(yè)計(jì)算機(jī)軟件的推動(dòng)下，虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype）不斷發(fā)展，使工程機(jī)械產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)逐步走向成熟。但對(duì)于虛擬樣機(jī)技術(shù)這種新觀念、新技術(shù)，目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義與體系結(jié)構(gòu)，因此許多國(guó)內(nèi)企業(yè)面對(duì)市場(chǎng)上眾多的CAD、CAE商業(yè)軟件，卻不能充分應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)。本文從虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念出發(fā)，基于并行設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建了適合工程機(jī)械的虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)。
1 虛擬樣機(jī)技術(shù)
虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門(mén)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(chēng)為數(shù)字化功能樣機(jī)。
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。一方面與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真一般是針對(duì)單個(gè)子系統(tǒng)的仿真，而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是強(qiáng)調(diào)整體的優(yōu)化，它通過(guò)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(guò)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，忽略了各子系統(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(kāi)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(wèn)題、解決問(wèn)題，把系統(tǒng)的測(cè)試分析作為整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)。
虛擬樣機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車(chē)制造、工程機(jī)械、鐵道、造船、軍事裝備、機(jī)械電子，以及娛樂(lè)設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域有許多成功應(yīng)用：空間系統(tǒng)的捕捉與對(duì)接，飛船與空間飛行器發(fā)射、對(duì)接、著陸過(guò)程仿真，太陽(yáng)帆板展開(kāi)機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，飛機(jī)起落架工作過(guò)程等。在軍用裝備方面有目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，武器裝填與發(fā)射系統(tǒng)仿真，履帶式和輪式車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真，重型坦克跨越障礙能力，坦克行駛穩(wěn)定性?xún)?yōu)化與炮塔控制等。通用機(jī)械方面，虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)器人、紡織機(jī)械、工業(yè)機(jī)床、包裝機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)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(chē)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。圖1為液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)，圖2為履帶虛擬樣機(jī)正在進(jìn)行性能測(cè)試。
2 基于并行設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)
工程機(jī)械產(chǎn)品傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖3所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程難以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方案中存在的不足，產(chǎn)品有潛在的質(zhì)量問(wèn)題；物理樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試周期長(zhǎng)，消耗大，方案不易改動(dòng)；難以找到最優(yōu)方案，造成產(chǎn)品材料的浪費(fèi)；難以預(yù)測(cè)產(chǎn)品壽命，產(chǎn)品可靠性不高。
針對(duì)產(chǎn)品傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的弊端，根據(jù)并行設(shè)計(jì)思想，利用現(xiàn)有虛擬樣機(jī)技術(shù)的構(gòu)成技術(shù)和產(chǎn)品，可構(gòu)建工程機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)研究平臺(tái)，如圖4所示。
虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元分析、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)作業(yè)過(guò)程模擬、系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性評(píng)價(jià)、系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)及冗余設(shè)計(jì)等。該設(shè)計(jì)過(guò)程在設(shè)計(jì)初期就充分考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的相互耦合作用，并進(jìn)行產(chǎn)品作業(yè)全過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、壽命及可靠性，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
運(yùn)用目前市場(chǎng)上一批成熟的CAD、CAE商業(yè)軟件，可實(shí)現(xiàn)如圖4所示工程領(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?？刂葡到y(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(kāi)發(fā)能力。通過(guò)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(guò)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(guò)重復(fù)這樣的設(shè)計(jì)-仿真交互，直到得到滿(mǎn)意的結(jié)果。
3 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(lài)，體現(xiàn)了一種全新的研發(fā)模式，它在工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，必將給企業(yè)帶來(lái)重大的影響。
?。?）高效的研發(fā)手段促使產(chǎn)品的更新?lián)Q代加快，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)降低，企業(yè)的生產(chǎn)效率將大大提高。“最快者生存”將成為企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的法則。
（2）虛擬產(chǎn)品的銷(xiāo)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(xiāo)售成為可能，即企業(yè)先通過(guò)虛擬樣機(jī)找到客戶(hù)，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。
?。?）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(guò)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(kāi)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(wàn)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(mén)綜合多學(xué)科的技術(shù)，是對(duì)產(chǎn)品相關(guān)過(guò)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(kāi)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(zhuān)業(yè)的知識(shí)，專(zhuān)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(jiàn),在21世紀(jì)虛擬樣機(jī)技術(shù)必將成為工程機(jī)械領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)的主流。國(guó)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)。
參考文獻(xiàn)：
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