虚拟样机技术

虚拟样机技术与应用1虚拟样机技术概述1.1基本概念虚拟样机技术(VirtualPrototyping,VP)是上世纪80年代兴起的一种现代设计方法和手段，是CAX/DFX(面向产品全生命周期的设计技术)、建模/仿真、虚拟现实等技术相互结合的产物。其基本思想是在物理样机实现之前，通过在虚拟样机上的全面仿真，对产品功能、性能、外观等进行预测、评估和优化，以达到提高产品质量、降低开发成本、缩短开发周期的目的。图1虚拟样机与物理样机的关系1虚拟样机技术概述从国内外对虚拟样机技术的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。主要观点如下：（1）美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为：1）虚拟样机定义：虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。2）虚拟样机设计：利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。3）虚拟样机设计环境：是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。1虚拟样机技术概述（2）国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异，下面是几种有代表性的论述：1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发(IntegratedProductandProcessDevelopment,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现。1虚拟样机技术概述3）虚拟样机技术就是在建立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学模型，进行仿真分析并从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。4）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果精简和优化系统。1虚拟样机技术概述5）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。在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。DMSO将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。1虚拟样机技术概述1.2虚拟样机技术的形成和发展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大类：一类称为结构，它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动（如房屋建筑、桥梁、航空航天器与各种车辆的壳体以及各种零部件的本身），人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。另一类称为机构，其特征是系统在运行过程中这些部件间存在相对运动（如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂机械系统）。1虚拟样机技术概述此外，在研究宇航员的空间运动、在车辆事故中考虑乘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各肢体间存在相对运动的系统。上述复杂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。研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。现代机械系统离不开控制技术，产品设计中经常遇到达样的问题，即系统的部分构件受控，当它们按某已知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称为动力学正逆混合问题。1虚拟样机技术概述随着国民经济的发展与国防技术的需要，机械系统的构型越来超复杂，表现为这些系统在构型上向多回路与带控制系统方向发展。此外，机械系统的大型化与高速运行的工况使机械系统的动力学性态变得越来越复杂。高速机械系统各部件的大范围运动与构件本身振动的耦合，振动非线性性态的表现等。复杂机械系统的静力学、运动学与动力学的性态分析、设计与优化向科技工作者提出了新的挑战。20世纪60年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机技术相结合的力学分支———多体系统动力学在社会生产需要的推动下产生了。其主要任务是：1虚拟样机技术概述1）建立复杂机械系统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的计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应。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。在多系统动力学研究方法和理论不断成熟的前提下，随着CAX技术的产生及大规模推广应用，虚拟样机技术开始形成其技术体系并得到应用。1虚拟样机技术概述虚拟样机技术是许多技术的综合。它以多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现为核心，以仿真为手段，各种CAX/DFX技术为工具，它主要包括面向虚拟样机的建模技术、基于虚拟样机的仿真技术、针对虚拟样机的管理技术、各类工具的集成技术以及VR/人机界面技术，其技术体系如图2所示。图2虚拟样机技术的技术体系1虚拟样机技术概述1.3虚拟样机技术研究现状虚拟样机技术仍处在发展阶段，各国学术界和技术界都开始对这门新技术进行深入的研究，但完整的理论体系还没形成，目前美国处于研究的前沿。在美国，波音公司、通用动力公司和西科斯基公司等许多商业和军用公司都在研究虚拟样机技术，并己经成功开发出产品。华盛顿大学(UniversityofWashington)、北卡罗来纳大学(UniversityofNorthCarolina)也在进行相关的研究，在爱荷华大学(UniversityofIowa)还成立有CAD中心，从事车辆的虚拟样机研究工作。1虚拟样机技术概述国外虚拟样机相关技术的软件化过程己经完成，较有影响的有美国机械动力学公司(MechanicalDynamicsInc)的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的SIMPACK，其它还有WorkingModel，FIow3D，I-DEAS，Phoenics，ANSYS和Pamcrash等。其中美国机械动力学公司的ADAMS占据了市场的50%以上。而在国内，虚拟样机技术的应用研究起步较晚，目前，只有一些大学和科研院所在进行这一方面的研究工作。虚拟样机要求的相关技术，如数据库技术、CAX技术、网络技术、人在回路中的实时仿真技术以及分布交互式仿真技术等己有一定基础，虚拟现实、并行工程技术等也已开始进行研究。1虚拟样机技术概述西南交通大学机械工程研究所对基于虚拟现实技术的原型设计机理进行了研究，把虚拟现实技术与CAD设计环境结合了起来。上海交通大学建立了分布式虚拟制造系统的框架体系(DVMS)。中国农业大学周一鸣教授领导的机械系统虚拟样机仿真分析研究课题组应用多体系统动力学理论和面向对象的分析与设计方法，开发了基于中文WindowsNT/2000平台的机械系统虚拟样机(MechanicalSystemVirtualPrototyping)仿真分析软件的原型MSVP。1虚拟样机技术概述1.4虚拟样机技术的应用虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的(如前面提到的ADAMS)。虚拟样机技术已经广泛地应用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了时间、开支并提供了满意的设计方案。以下是一些有代表性的实例：1虚拟样机技术概述1）美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上软着陆。JPL工程师利用虚拟样机技术模拟宇宙飞船在不同阶段(进入大气层、减速和着陆)的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很有可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。2）一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链条在转速达到6000r/min时运动失稳并发生振动。常规的测量技术在这样的高温高速环境下失灵，工程们不得不借助于虚拟样棚技术。根据对虚拟样机的动力学及控制系统的分析结果，发现了不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到10000r/min以上。1虚拟样机技术概述3）美国波音公司的波音777大型客机是世界上首架以无图纸方式研发及制造出来的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次性接装成功。对比以往的飞机，波音公司减少了93%的设计更改和94%的成本。4）在著名的工程机械厂商JohnDeere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，工程师应用虚拟样机技术，不仅找到了问题产生的原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机的基础上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。1虚拟样机技术概述随着研究工作的不断深入和相关技术的进一步发展，虚拟样机技术将得到更广泛应用。在我国，虚拟样机技术正在引起重视，通过深入研究虚拟样机的关键技术，进一步探讨虚拟样机的有效开发模式，尤其是开发过程所涉及的各类活动的协调、管理和优化策略，必将促进这一先进制造技术的推广应用，增强我国企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位。1虚拟样机技术概述1.5虚拟样机技术未来研究的重点方向以取代物理样机为目标，VP具有改进当前产品开发过程的巨大潜力，未来可能的研究发展方向如下：1）设计、分析和仿真工具的集成当前VP技术应用的局限性就在于缺乏各种在不同开发工具之间进行数据交换的无缝连接方法。产品数据表达和数据库研究仍然是主要课题，需要提出工具集成的新方法。2）将VP应用于可制造性、可维护性和可操作性分析由于对产品可制造性、可维护性和可操作性没有一个很好的了解，如何测试产品这些方面的性能也是一个重要的课题。VP技术的应用提供了一条很有希望的途径。1虚拟样机技术概述例如，产品的可操作性可以通过让一个操作技术员在虚拟环境中实施操作任务来量化。这样不同设计方案的可操作性就可以方便地进行比较。具体的研究主题包括：应用3D实体数据快速生成虚拟环境；产品各方面性能的评价方法；虚拟样机实施过程标准；虚拟样机相对于物理样机的误差分析等。1虚拟样机技术概述3）VP系统的容错性研究和基于物理样机的仿真分析结果相比，应用虚拟样机方法和工具进行仿真获得的数据存在着误差。误差产生的原因可能是由于计算时间延迟、图像处理时间延迟或用户在虚拟环境中拘束不安引起的。产品数据可能会在不同系统平台交换过程中被损坏和恶化。因此，应该研究出一个容错的VP系统以确保VP给出的工程测试数据是可信的，并且任何可能的误差都能够量化。1虚拟样机技术概述4）基于VP的优化设计如果产品的各个方面的信息都可以用VP充分地表达，那么就有可能获得一个定量设计的最佳方案。基于VP的优化设计向传统优化提出了新的挑战。首先，基于VP的优化在确定最优值方面必须是非常高效的，因为VP在当今和可预知的将来是计算高度密集的；其次，基于VP的优化设计问题通常包含来自不同学科的多个设计目标，因而它要能够很好地表达多学科优化问题；最后，基于VP的优化设