基于機械系統虛擬樣機技術的研究與開發研究

李彩風　孫振杰　張曉芳　李文濤　白帥偉

作為一門新技術，機械系統的虛擬樣機技術（Virtual Prototype Technology）是開發原型和解決復雜機械性能問題的有效技術工具，也是一種動態仿真分析工具。其不僅可以減少制造商對物理原型的過度依賴，而且有效地減少了機械產品的設計時間，確保了產品質量，并大大降低了建筑成本。

1.產生背景

隨著現代科學技術進步和經濟全球化的迅速發展，技術設計的理論、方法和手段發生了巨大變化。特別是在過去30年中，設計技術的進步和數字化程度（例如CAD和FEA技術）的加深決定了產品的設計和交付周期、質量和成本。CAD技術是技術設計中最古老、最成功的計算機應用示例，它的廣泛使用已從根本上改變了傳統設計基于經驗的方式，使設計師擺脫了冗長而繁瑣的手工繪制方法，生成了數字化的圖形數據。圖形的清晰、可修改等特性，不僅可以提高工程圖的繪制質量和速度，還可以使計算機預先實現產品最終的外形結構。方便在設計完成之前進行評估，更重要的是設計師可以在創意工作上花費更多的時間和精力，并為項目帶來巨大的收益。在設計過程中使用FEA技術極大地改善了產品的設計方式，有助于設計人員分析機械系統部件的結構強度、剛度、熱性能和動態性能。這不僅促進了CAD技術在各個行業中的應用，而且解決了迄今為止許多很難解決的技術問題。

但是，隨著科學技術的進步，即使對機械系統的每個組件都進行了優化，也無法保證整個系統的性能良好，即系統級優化并不是簡單地對各種系統組件的優化疊加。常規的技術方法不能滿足需求，因此在這種背景下，產生了一種新技術，即虛擬樣機技術。虛擬樣機技術是機械系統設計過程中的一項先進技術，是在此階段解決此問題的最有效的技術解決方案。通常，大多數公司都在使用常規的設計方法，也就是首先繪制各種附圖和技術圖紙，然后根據經驗，經過長時間的驗證，選擇一種更合適的方法并嘗試物理樣機，運行實驗設置以在各種操作條件下測試物理樣機。如果認為其設計或操作特性有缺陷，則需要更改建筑圖和技術圖，并重新制造和測試物理樣機。顯而易見，這種手段大大增加了產品的成本和開發周期，并不能更準確的選擇最合適的方案。但虛擬樣機技術可以從CAD技術中提供的相關信息分析并提取有用信息，從而獲得虛擬樣機并選擇出最優化的方案。虛擬樣機技術作為復雜機械系統動力學的樣機設計和仿真研究的有效手段，不僅可以幫助產品制造商擺脫對物理樣機的過度依賴，而且可以縮短產品的設計開發周期，提高質量，降低成本，從而突破了“瓶頸”，促進了產品設計水平的提高。

2.目前國內研究存在的問題

目前國際上對虛擬樣機技術的開發已經成熟，但在國內仍存在一些問題：

第一，對虛擬樣機技術的研究范圍比較窄，尚在實驗室階段停留，難以在實際工程中應用。國內專家對這一方面的重視程度尚未達到所需水平，有待進一步加強。第二，對虛擬樣機技術的軟件開發和商品化重要性認識不足。從社會學角度來看，軟件商品化以后才能產生經濟效益和社會效益，才能推動經濟和社會的發展和進步，國內研究對這一方面的認識尚缺，有待提升。

3機械系統虛擬樣機技術的開發與研究分析

3.1實現面向對象技術與機械系統虛擬樣機技術的有機結合

近年來，面向對象技術已變得非常流行，它是當前快速發展起來的一項新技術。它的技術原理基于一種面向對象的計算機語言，但是目前已經超出了計算機和軟件領域的研究和開發范圍。面向對象技術的邏輯方式類似于人類的思維，并且可以適應人類的思維習慣，因此比較適合解決復雜的問題，在計算機軟件開發方面表現出強大的實力，是解決軟件危機的核心技術，人們已普遍將其看作是解決軟件系統危機的最有利的突破。如果機械系統的虛擬樣機技術可以發揮實際效用，那么第一個要求就是擁有一套方便且實用的軟件系統。該軟件系統的研究和開發非常復雜，此時，面對對象技術的存在就顯得尤為重要。機械系統的面向對象技術與虛擬樣機技術的有機結合，可以有效減輕軟件系統研發的復雜性，大大提高軟件的運行穩定性。

3.2實現圖論法與機械系統虛擬樣機技術的有機結合

圖論法是一種具有高實用價值的學科，屬于數學分支，被廣泛用于計算機科學、生物學、工程學和社會科學等各個領域。圖論法當前被廣泛應用在機械系統的虛擬樣機技術中，用來描述機械系統數據結構，盡管目前尚處于初步研究階段，但仍有很好的應用前景，可以有效解決確定機械系統自由度的求解問題。目前最重要的是機械系統的有效設計，以便在計算機上構建合適的數據結構，同時也是研究和軟件開發的良好基礎，還可以為圖論法與虛擬樣機技術的有機結合打下堅實的基礎。

3.3構建以圖形為基礎的前后處理界面

盡管機械系統虛擬樣機技術的軟件系統包括機械學、運動學、數學等多個領域的經驗，且技術本身要求具備很高的專業知識水平，但用戶大多是僅在機械制造領域具有一般知識的開發人員或技術人員，因此計算機圖形人機交互界面的方便程度和可用性直接決定設計者和工程師對軟件系統的接受程度，提高了人機交互圖形界面的直觀性和便利性，為IT專業人員提供更好的服務。

3.4綜合應用上述建模原理及算法，設計開發軟件原型系統

虛擬樣機技術必須依靠良好的軟件系統來充分發揮其工程實踐的作用，這一點與FEA技術非常相似。有限元法作為求解微分方程的數值方法，具有悠久的歷史，在發明數字電子計算機之前很難有所作為。市場上的FEA軟件（NASTRAN，ANSYS，ADINA，MARC等）以及在工程實踐中的應用，在工程實踐中發揮著重要作用。但是，實現機械系統虛擬樣機技術的軟件系統非常復雜，并且在達到理想水平之前，需要很長時間進行許多復雜而艱巨的工作。經過專業公司20多年的不斷開發，才達到目前的水平。當前，我們的任務是進行深入研究，以歸納上述研究結果中機械系統虛擬樣機和原型軟件系統的設計和開發問題的最大可能研究和動態，并奠定虛擬樣機系統技術和軟件系統的基礎。

4.結語

經濟發展、社會進步的同時，機械技術化手段也在不斷進步，傳統的技術已不能完全滿足時代需求，因此虛擬樣機技術被研究利用，不僅可降低機械制造者對物理樣機的過分依賴，而且可有效壓縮機械產品設計時長，進而在保證產品質量的同時，大大節約設計成本。中國對機械系統虛擬樣機技術的研究雖然仍處于初步階段，但在機械制造中已被作為先進的數字設計技術使用。同時，虛擬樣機技術在機械系統中的積極作用要求使用先進的軟件系統來最大化設計功能。