虛擬樣機技術及其在工程機械領域的應用

李寒杰

（徐州東方傳動機械有限公司，江蘇 徐州221116）

虛擬樣機技術 (Virtual Prototyping Technology，VPT)是一門綜合多學科的技術，它是在制造第一臺物理樣機之前，以機械系統(tǒng)運動學、多體動力學、有限元分析和控制理論為核心，運用成熟的計算機圖形技術，將產(chǎn)品各零部件的設計和分析集成在一起，建立機械系統(tǒng)的數(shù)字模型，從而為產(chǎn)品的設計、研究、優(yōu)化提供基于計算機虛擬現(xiàn)實的研究平臺。因此虛擬樣機亦被稱為數(shù)字化功能樣機。利用虛擬樣機可以代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計、測試和評估，從而縮短開發(fā)周期，降低成本，改進產(chǎn)品設計質(zhì)量。

1 虛擬樣機技術的特點

虛擬樣機技術不僅是計算機技術在工程領域的成功應用，更是一種全新的機械產(chǎn)品設計理念。

傳統(tǒng)的仿真一般是針對單個子系統(tǒng)的仿真，可是，人們已清楚地認識到：即使系統(tǒng)中的每個子系統(tǒng)都是經(jīng)過優(yōu)化的，也不能保證整個系統(tǒng)的性能是良好的，即系統(tǒng)級的優(yōu)化絕不是系統(tǒng)中各子系統(tǒng)優(yōu)化的簡單疊加。而虛擬樣機技術則是強調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬整機與虛擬環(huán)境的耦合，對產(chǎn)品多種設計方案進行測試、評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優(yōu)的整機性能。

另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法是一個串行的過程，各子系統(tǒng)如：整機結構、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設計都是獨立的，忽略各子系統(tǒng)之間的動態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設計的不足往往到產(chǎn)品開發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴重浪費。運用虛擬樣機技術可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)在內(nèi)的多體動力學虛擬樣機，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設計，可在產(chǎn)品設計初期及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把系統(tǒng)的測試分析作為整個產(chǎn)品設計過程的驅(qū)動。

2 虛擬樣機技術的應用

近年來，虛擬樣機技術已在國內(nèi)外產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應用，應用領域從汽車制造工業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機械到人機工程學、生物力學、醫(yī)學以及工程咨詢等諸多方面。

2.1 國外虛擬樣機技術的應用

美國波音飛機公司波音777飛機是世界上首架以無圖紙方式研發(fā)機制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術。對比以往的飛機研制，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)工程機械的著名廠商John Deere公司，為解決工程機械在高速行駛時的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動問題，公司的工程師利用虛擬樣機技術，不僅找到了原因，而且提出了改進方案，并且在虛擬樣機上得到驗證，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技術，以減低開發(fā)設計的風險和成本，改進產(chǎn)品質(zhì)量，并取得良好的經(jīng)濟效益。

2.2 國內(nèi)虛擬樣機技術的研究應用

在國內(nèi)，目前對虛擬樣機技術及其應用研究，一方面集中于對其技術內(nèi)涵、組成、運行模式、體系結構及其使能技術進行探討，以期構建自主的虛擬樣機開發(fā)支持環(huán)境。另一方面，則側重于虛擬樣機技術在各領域的應用研究。如中航第一飛機研究院成功推出國內(nèi)首架飛機全機規(guī)模電子樣機；863項目“月球表面探測機器人方案研究”，則運用虛擬樣機技術構造虛擬月面計算仿真環(huán)境，并對涉及到的多項關鍵技術進行深入研究，取得很好的成果。各研究院所紛紛開展虛擬樣機技術在汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)等方而的應用研究、仿真分析及二次開發(fā)。通過對虛擬樣機各關鍵技術的深入研究，必將促進虛擬樣機技術的推廣應用，增強我國企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力。

3 虛擬樣機技術在工程機械上的應用

3.1 工程機械虛擬樣機技術的基本內(nèi)涵

新型工程機械的開發(fā)受到產(chǎn)品安全性、可靠性、舒適性、美觀性、可制造性及可維護性等的制約，在虛擬設計環(huán)境下，利用其可視化優(yōu)勢，使技術設計、部件裝配、結構分析和性能優(yōu)化融合在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行，并綜合考慮車輛的外觀總體布局及一些諸如運動約束，可接近性等特征，對產(chǎn)品幾何尺寸、功能、制造等進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)可被反復重新利用。

虛擬樣機技術在工程機械領域可應用的方面有：履帶式和輪式車輛穩(wěn)定性、操作性能研究，液壓系統(tǒng)、牽引設備性能預測，推土機、挖掘機、林業(yè)機械等動態(tài)性能研究，零部件和發(fā)動機載荷預測與尺寸確定，駕駛員視野研究，預測挖掘機所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。

3.2 工程機械虛擬樣機工程的體系結構

工程機械是典型的機、電、液一體化的設備，其虛擬樣機工程的體系結構可以抽象為由協(xié)同設計支撐平臺、產(chǎn)品模型、虛擬樣機引擎和虛擬現(xiàn)實可視化環(huán)境四部分組成，如圖1所示。其中，協(xié)同設計支撐平臺提供一個協(xié)同設計環(huán)境，包括集成平臺/框架、項目管理等工具。產(chǎn)品模型包括系統(tǒng)產(chǎn)品主模型、機械子系統(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)級產(chǎn)品主模型負責產(chǎn)品在系統(tǒng)級層次上的設計與樣機的外觀、功能、性能的建模，如樣機的動力學、運動學建模仿真。VP引擎包括各領域CAX/DFX工具集，對樣機外觀/功能、性能及環(huán)境進行模擬仿真，并將生成的數(shù)據(jù)送入VR可視化環(huán)境，從外觀、功能及在虛擬樣機環(huán)境下的各種行為上展示虛擬樣機。

圖1 工程機械虛擬樣機體系結構

3.3 工程機械虛擬樣機的開發(fā)流程

虛擬樣機的開發(fā)流程如圖2所示，從產(chǎn)品需求分析到評估測試，通過使用相關產(chǎn)品開發(fā)工具，在虛擬環(huán)境中構造產(chǎn)品的虛擬樣機，這是一個循環(huán)漸近的過程。基于產(chǎn)品的開發(fā)要求，采用相應的仿真分析工具對虛擬樣機的功能/性能進行仿真分析，對虛擬樣機的行為進行模擬分析，并根據(jù)仿真分析結果，通過產(chǎn)品全生命周期的反復建模/仿真分析與模型的改進，開發(fā)出滿足產(chǎn)品預期設計目標的虛擬樣機。

圖2 虛擬樣機開發(fā)的一般流程

3.4 工程機械虛擬樣機設計的總體結構

虛擬樣機工程總體技術應從全局出發(fā)，解決涉及到系統(tǒng)全局的問題，考慮構成虛擬樣機工程各部分之間的關系，規(guī)定和協(xié)調(diào)各部分系統(tǒng)的運行，并將它們組成有機整體，實現(xiàn)信息和資源的共享，實現(xiàn)總體目標。虛擬樣機的設計主要由以下幾部分組成：:初步設計方案的確定、概念設計、詳細設計、仿真分析和結構優(yōu)化設計等，各個部分由不同的設計人員并行設計。由于各部分的功能活動存在相互依賴的關系，為保證產(chǎn)品開發(fā)隊伍的協(xié)同工作，實現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動的信息交換與共享，必須對設計過程進行動態(tài)調(diào)整和監(jiān)控及構造合適的并行設計工作環(huán)境，以保證并行設計的順利進行，縮短虛擬樣機開發(fā)周期。圖3為工程機械虛擬樣機設計的總體結構圖。

3.5 工程機械虛擬樣機研究平臺的構建

根據(jù)并行設計思想，運用目前市場上一批成熟的CAD，CAE商業(yè)軟件，可構建實現(xiàn)如圖3所示的工程領域虛擬樣機研究平臺。在產(chǎn)品結構三維CAD設計方面有Pro/Engineer，UG，SolidWorks，SolidEdge等。結構分析軟件有ANSYS，PATRAN，NASTRAN，MARC等。運動學和動力學仿真軟件可采用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，并且具有十分強大的二次開發(fā)能力。通過三維CAD設計的結構模型可傳入結構分析軟件和運動學、動力學仿真軟件ADAMS中進行分析。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，對控制方案進行仿真。仿真結果可再傳回ADAMS中進行分析。通過重復這樣的設計—仿真交互，直到得到滿意的結果。

圖3 工程機械虛擬樣機的總體結構

4 虛擬樣機技術在工程機械領域的發(fā)展前景

虛擬樣機技術的發(fā)展，使產(chǎn)品設計可擺脫對物理樣機的依賴，體現(xiàn)一種全新的開發(fā)模式，它在工程領域的迅速發(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)風險降低，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)市場競爭的法則。

（2）虛擬產(chǎn)品的銷售。虛擬樣機技術和柔性制造技術已經(jīng)使虛擬產(chǎn)品銷售成為可能，即企業(yè)先通過虛擬樣機找到客戶，再組織生產(chǎn)。因此企業(yè)在產(chǎn)品制造和市場競爭方面更具靈活性。

（3）企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟。產(chǎn)品的數(shù)字化使企業(yè)能夠通過Internet進行產(chǎn)品信息的快速交流，克服單個企業(yè)資源的局限性，將具有開發(fā)某種新產(chǎn)品所需的知識和技術的不同組織或企業(yè)組成一個臨時的企業(yè)聯(lián)盟，即企業(yè)間的動態(tài)聯(lián)盟，以適應瞬息萬變的市場需求和激烈競爭。

（4）對技術人員提出更高要求。基于虛擬樣機技術的并行工程是一門綜合多學科的技術，是對產(chǎn)品相關過程進行并行、一體化設計的一種系統(tǒng)技術。它組織多學科的產(chǎn)品開發(fā)小組協(xié)同工作，因此各子系統(tǒng)設計員必須了解虛擬樣機技術相關專業(yè)的知識，專業(yè)分析員也必將轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品設計者。協(xié)同工作能力將成為企業(yè)技術人員最重要的素質(zhì)。

可以預見，在21世紀虛擬樣機技術必將成為工程機械產(chǎn)品開發(fā)的主流。國內(nèi)各企業(yè)應加強對它的應用研究，使產(chǎn)品更具市場競爭力，迎接全球經(jīng)濟一體化的挑戰(zhàn)。

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