淺談虛擬樣機技術及其建模與仿真

黃迪

摘 要 虛擬樣機技術以計算機技術為依托，綜合多學科技術為產品全生命周期的設計和評估提供技術支持。設計者可在虛擬環境中實現產品設計和產品特性分析，使之能夠快速響應市場要求，從而打破傳統的設計方式，縮短了設計時間，節約了設計資本。本文主要介紹建模與仿真涉及的機械、控制以及協同仿真領域，從單個學科領域的建模到多個領域的協同建模以及最后的協同仿真所需要的方法以及實現的過程。

關鍵詞 虛擬樣機 建模 仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation

HUANG Di

（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.

Key words virtual prototype； modeling； simulation

0 引言

由于現代科學技術的發展，機電一體化產品的開發經歷了串、并行開發，到基于虛擬樣機的開發過程。而開發過程中解決多領域協同設計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機技術。它的設計開發涉及機械、可視化、協同仿真、數據庫等多個學科領域，它提供一種加快機電一體化產品設計進程新的技術方法和支持環境。

1 虛擬樣機技術的概述

1.1 虛擬樣機技術的定義

虛擬樣機是在CAD/CAM/CAE和物理樣機基礎上發展起來的，它包含有所有產品的關鍵特征。

它是以一定關系模擬一個動態系統，在一個或多個領域模型上，依賴不同子系統的集成，采用計算機輔助的方法，以達到認識現實或輔助設計的目的。

1.2 虛擬樣機技術的優勢和局限性

在機電一體化產品的設計中，若采用實物驗證的方法的傳統機電產品設計。首先是對產品進行局部設計，加工出物理樣機，再進行調試，再對其各種行為進行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設計，然后再加工出新的樣機，如此反復評估直至滿足所需要求為止。

虛擬樣機技術應用在機電產品的開發設計過程與傳統設計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機技術集合各個領域的理論和技術在計算機上直接進行建模與仿真，它在產品設計階段，能夠對產品使用、制造、維護等行為進行評估分析，優化產品性能指標，保證設計出來的產品能夠達到制造、使用和維護的要求，并且它的修改直接改變建模的數據即可。因此，虛擬樣機技術的優勢在于：縮短了研發周期、節約研發資本、實現資源共享。

但是，虛擬樣機技術涉及的學科領域太廣，技術復雜，給設計者提出了很高的要求，而且，對于一些復雜的問題的計算上無法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內，所以技術本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發展。而且在對產品進行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機始終無法取代物理樣機。①

1.3 虛擬樣機技術的支撐環境及關鍵技術

圖1 虛擬樣機支撐環境框架

虛擬樣機的開發和設計當中，在每一個階段都涉及到多個領域的相關技術，比如在產品設計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術和DFX技術，在產品特性分析階段涉及到機械系統運動學等相關技術，而在分析結果的時候又涉及到可視化技術和動畫技術。因此，虛擬樣機技術需要強大的支撐環境來保證這些相關技術的操作和相互之間的數據交流平臺，其所需要的支持環境框圖如圖1②所示

在這些支撐環境中，存在一些關鍵技術，這些關鍵技術的發展情況直接影響著整個支撐環境的發展。比如多領域的協同仿真——“建模-仿真-評估/優化”一體化平臺、高層建模技術、仿真模型庫構建與管理技術以及分布式協同仿真技術等。

1.4 虛擬樣機技術的應用與發展現狀

虛擬仿真技術在美國、德國等一些發達國家早已被廣泛地應用于汽車制造、機械工程、醫學等各個領域，產品的涉及由簡單的照相機快門技術到龐大的工程機械技術，如John Deere 公司通過虛擬樣機技術找到了在重載下工程機械的自激振動問題的原因，并提出了改進方案，這同樣在虛擬樣機上得到了驗證。endprint

國外的虛擬樣機技術已走向商業化，美國機械動力學公司的機械系統自動動力學分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。

國內的企業虛擬樣機技術主要是集成現成的國外軟件應用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內企業對國外軟件的依賴性強。有些單位會為了滿足設計分析的需要而采用對市場上現有軟件進行二次開發。

2 虛擬樣機的模型建立

2.1 虛擬樣機的設計原理

作為研究動態系統行為的有效方法，虛擬樣機涉及幾何信息，同時虛擬樣機系統具有運動模擬、操作模擬和動力學模擬等物理邊界條件，提供人機交互虛擬現實三維場景的工具。其一般設計原理可歸結為如圖2所示。

圖2 虛擬樣機設計原理圖

2.2 機電產品的功能模型分析

影響此類機電產品系統的設計過程和設計方法是在功能邏輯上的構成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機電一體化產品包含機械結構，機電接口、運動系統、計算機等多種電子、機械零部件。③

將機電一體化產品劃分為控制子系統、廣義執行機構子系統、檢測子系統、傳感及信息處理的是上海交通大學的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統論。如圖3所示：

圖3 機電系統的三子系統的組成及其關聯

圖4 廣義執行機構建模步驟框圖

2.3 廣義執行機構的建模與求解

廣義執行機構子系統主要包括驅動元件和執行機構兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數學建模、數值求解和結果分析，其步驟如圖4所示。

幾何建模，主要是建立所設計虛擬樣機的執行機構的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構造，但有些軟件之間的相互導入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實現無縫連接。⑤

物理建模，形成表達系統力學特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運動學約束、力元（內力）、驅動約束等物理模型要素。

數學建模，由物理模型組裝成系統運動方程中的拉格朗日坐標或笛卡爾坐標建模方法創建各系數矩陣，得到系統數學模型。

2.4 控制子系統的建模與求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驅動執行機構的運動通常有開環方式和閉環方式兩種，開環方式是在驅動器與執行末端之間建立約束關聯，執行末端為反向運動學驅動；而閉環方式是以期望參考信號與傳感器探測的數據進行比較從而得到控制信號。連續——離散混合信號處理的運動控制模型就是采用閉環控制方式。

2.5 協同建模

控制實現的多學科協同與多體動力學的建模可以在ADAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導出ADAMS動力學模型，然后導出動力學模型到控制仿真環境最后構建動力學一控制集成模型。

3 虛擬樣機的仿真實現

在建立共享的集成模型基礎上進行仿真運行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解線性或非線性的結果在在ADAMS 環境中虛擬樣機控制子模型的共享模型進行仿真運行。

3.2 基于MATLAB的方式

機械動力學解算通過在MATLAB 環境中植入的ADAMS 模塊控制運用解算控制仿真軟件求解器，它們通過S函數（S-function）或狀態空間（state -space）進行接口變量的聯系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時，可以觀察到虛擬樣機的三維仿真運行動畫和生成仿真結果數據文件。

4 小結

虛擬樣機技術為機電一體化產品的設計提供了一個支持環境和新的方法，它與傳統的技術相比，縮短了研發周期、節約研發資本，實現資源共享、提高產品質量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機械工程、醫學等各個領域。

整個虛擬樣機技術的關鍵是虛擬樣機的仿真和實現，從單個領域的建模仿真到多個領域的協同仿真，從幾何建模到物理建模到數學建模到數值求解再到結果分析，這一系列的過程涉及到多個領域的關鍵技術。因此，要做好虛擬樣機技術，一方面要依賴于其本身技術的發展，另一方面則要求設計者本身具備過硬的專業技術知識以及配置完備的團隊。

參考文獻

① 李丹，李印川.虛擬樣機技術在制造業中的應用及研究現狀.機械，2008（6）總第35卷：2-3.

② 寧芊.機電一體化產品虛擬樣機協同建模與仿真技術研究.四川大學博士畢業論文，2006：21-22.

③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.

④ 鄒慧君等.機電一體化產品概念設計的基本原理.機械設計與研究，1999.15（3）：14-17.

⑤ Zheng Wang， Zhenyu Liu ， Jianrong Tan， Yun Fu， Changjiang Wan，A virtual environment simulator for mechanical system dynamics with online interactive control，Advances in Engineering Software，2006：631–642.

⑥ 寧芊，殷國富，徐雷.機電系統虛擬樣機協同建模與仿真技術研究.中國機械工程，2006.17（13）：1405-1406.endprint