虚拟样机技术的应用

虚拟样机技术的应用

1虚拟样机的概念目前，中国还没有统一的定义虚拟原型技术。以下是一些更具代表性的讨论。(1)虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。(2)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的特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。(3)虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。2虚拟脚本技术的应用程序2.1样机设计验证难随着人类迈进21世纪,经济贸易全球化和我国加入WTO,产品消耗结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求,要想在竞争日趋激烈的市场上取胜,缩短开发周期,提高产品质量,降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品,谁就占有市场;谁产品性能可靠,价格合理,谁就受到用户的青睐。然而,传统的设计与制造方式无法满足这些要求。传统的设计与制造过程中,首先是概念设计和方案论证,然后进行产品设计。在设计完成后,为了验证设计,通常要制造样机进行实验,有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时,又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计—实验—设计过程,产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的,尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短,更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下,工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程,使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背景下,基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。为了克服传统机械设计制造过程的弊端,缩短设计制造周期,降低成本,一种新的技术应运而生,这就是虚拟样机技术。2.2虚拟样机技术的概念虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件构成的系统,对它们进行设计优化与性态分析时可以分为两类:①结构,其特征是在正常的工况下构件之间没有相对运动,如房屋建筑、桥梁、车辆壳体及零部件本身。②机构,其特征是系统在运动过程中部件之间存在相对运动,如航空航天器、汽车、机车、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。此外,在研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑驾驶员的运动以及运动员的动作分析时,人体也可认为是躯干与四肢之间存在相对运动的系统。上述复杂机械系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统,称为多体系统。对于复杂机械系统人们关心的问题大致有三类。一是在不考虑运动起因的情况下研究各部件的位置和姿态以及它们变化速度与加速度的关系,即系统的运动学分析;二是当系统受到静荷载时,确定在运动副制约下的系统平衡位置以及运动副静反力,称为系统的静力学分析;三是讨论荷载与系统运动的关系,即动力学问题。20世纪60年代,古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支——多体系统动力学在社会生产实践的推动下产生了。其主要任务是:(1)建立复杂系统的机械运动学和动力学程式化的数学模型,开发实现这个数学模型的软件系统,用户只需输入描述系统的最基本数据,借助计算机就能自动进行程式化的处理。(2)开发和实现有效的处理数学模型计算方法与数值积分方法,自动得到运动学规律和运动响应。(3)实现有效的数据后处理,采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理结果。目前,多体系统动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。尽管虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,但没有成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,虚拟样机技术也不会成熟。虚拟样机技术在技术与市场两个方面的也与计算机辅助设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先,CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上,把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。这样,设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次,三位造型技术是虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。再次,由于CAD强大的三维几何编辑修改技术,使机械设计系统的快速修改变为可能,在这个基础上,在计算机上的设计、试验、设计的反复过程才有时间上的意义。虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如火星探测器的动力学及控制系统模拟是在惠普700工作站上进行的,CPU时间用了750h。另一个例子,数值方法上的进步发展也会对基于虚拟样机的仿真的速度及精度有积极的影响。综上所述,虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效快速的算法。计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。目前,虚拟样机技术已成为一项相对独立的产业技术,它改变了传统的设计思想,将分散的零部件设计和分析技术(如零部件的CAD和FEA有限元分析)集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计,保证产品寻优开发过程顺利进行,对制造业产生了深远的影响。3虚拟脚本技术的特点以及国内外的应用3.1虚拟样机的应用优势同传统的基于物理样机的设计研发方法相比,虚拟样机设计方法具有以下特点:(1)全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程,这种方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化,它基于并行工程(ConcurrentEngineering),使产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应,直至获得最优工作性能。(2)更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型(即虚拟样机),可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验(成本和时间条件不允许),从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案,因此不但减少了物理样机的数量,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。(3)实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟(VirtualCompany)的概念,即为了适应快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性,出现了在一定时间内,通过Internet临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造,参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要,而虚拟样机是一种数字化模型,通过网络输送产品信息,具有传递快速、反馈及时的特点,进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。3.2在其他领域应用较少目前,虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广,主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等等。但是从目前我国的情况来看,虚拟样机技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛,但是也只停留在初步应用阶段。在其他的行业应用较少,主要是在专业研究机构和高校研究机构中应用。可见我国对于虚拟样机技术的应用领域和技术水平还很低,但是却有很大的提升空间。虚拟样机技术在一些较发达国家,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业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、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。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门,上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域里,针对各种产品,虚拟样机技术都为用户节约了开支、时间并提供了满意的设计方案。4其他机械系统研究软件虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。目前由二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的有美国机械动力学公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)机械系统自动动力学分析软件,CADSI的DADS(DynamicAnalysisandDesignSystem)动力学分析和设计系统软件,德国航天局的SIMPACK。其中美国机械动力学公司的ADAMS占据了市场的50%以上。其它软件的还有WorkingModel、Folw3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等等。由于机械系统仿真分析提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求,通过建立机械系统的模拟样机,使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能,因而其日益受到国内外机械领域的重视。5应用虚拟模型技术的项目选择应该指出,每一项新技术的出现都为传统的工业的进步提供了一个契机,也为落后者提供了追赶的捷径。虽然我国的制造业水平较发达国家的水平相比尚有差距,但虚拟模型技术及其他仿真技术的应用将会加速追赶的速度。比如,国外产品的高设计质量部分源于多年的设计经验,借助于在虚拟模型上的模拟,国内的设计师和分析师们会很快取得这些经验,即时用到新产品的设计及老产品的升级换代。尽管虚拟模型技术是一项通用技术,适用于各种产品的设计过程,但结合我国的特殊情况,这项技术应优先应用于以下方面:(1)重点机械投资项目。这种项目投资额大,任何系统设计方面的失误都会带来巨大的经济损失。运用虚拟模型技术不仅可以避免损失,而且会找到满意的经过优化方案。与庞大的投资相比,建立虚拟模型及模拟的费用微乎其微。(2)样机引进项目。自开放以来,我国从发达国家引进了各种机械设备的样机予以仿制,以期提高国内产品的水平。但效果总是差强人意。一个很重要的原因是仿制停留在零件照抄的低水平上,对于样机缺乏系统水平上的