虚拟样机技术是一种全新的机械设计方法, 作为一项计算机辅助工程 (CAE) 技术于20世纪80年代随着计算机技术的发展而出现, 在90年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用, 使机械制造业进入到一个新的时代。
1 虚拟样机技术的基本概念
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运动学与动力学建模理论及其技术实现。
虚拟样机技术 (Virtual Prototyping, VP) 是指在产品设计开发过程中, 将分散的零部件设计和分析技术融合在一起, 在计算机上建造出产品的整体模型, 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析, 预测产品的整体性能, 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。
在传统产品设计过程中, 机电产品的设计者会使用一个顺序方法, 例如机械工程师首先建立一个基础的设计, 然后这项设计被送往电气工程师, 最后是控制和软件工程师。在设计完成后, 为了验证设计, 通常要制造样机进行试验, 来证明设计理念、评估设计、测试产品的可制造性、更多仅仅是为了呈现一个产品。有时这些试验甚至是破坏性的, 成本昂贵。当通过试验发现缺陷时, 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——试验——再设计的过程, 产品才能达到要求的性能。这种传统设计过程中没有体现各部门的交流和协作, 每个部门都是相互独立的。
为了能用电子手段替代样机, 必须首先提供虚拟实体模型, 并且和实体模型有同样甚至更多的功能。以此为导向, 虚拟样机应该能被用来“测试”产品的造型、性能。与此同时提出了虚拟样机的概念。
近年来随着CAX/DFX技术的发展, 在产品开发过程中把分析作为设计的驱动, 提出Design Driven by Analysis的概念已逐步从概念走向参数化建模虚拟样机技术的研究和应用, 实现了产品开发全过程的电子化, 改变了传统的设计观念, 产品开发过程也随之发生了变化, 从设计-样机制造-试验走向了设计-仿真, 把物理样机制造放在最后, 量化生产, 真正实现了产品设计的数字化时代。
仿真利用计算机可视化和面向对象的手段模拟机械系统的动态特性, 帮助研究人员了解工作空间的形态及极限, 揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法, 从而解决在机械系统设计制造以及运行过程中的问题避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不要的损失。这种数字化的设计方法使机械、电器、控制和软件工程师同时参与到整个设计环节中。
虚拟样机技术融合了先进的建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术, 并将这些技术应用于复杂产品的整个生命周期。与传统的产品设计技术比较, 虚拟样机技术强调系统的观点、设计产品整个生命周期、支持对产品全方位的测试、分析预评估、强调不同领域的虚拟化协同设计。
在产品的整个设计生产过程中虚拟样机代替物理样机完成了整个设计流程中样机的测试。因此, 虚拟样机技术在测试过程中具备了许多细节上的优势。
(1) 在相同的时间里可以“试验”多种设计方案。
(2) 虚拟样机代替物理样机可进行多种危险性或破坏性试验。
(3) 避免了物理样机的试制环节, 降低了设计费用, 缩短了产品开发周期。
(4) 缩短了产品开发后期的设计更改。
产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心, 在产品开发过程中主要表现为: (1) 产品可制造性分析, 包括可装配性、可维护性、可加工性分析等。通过在虚拟环境下观察、分析和操作产品模型及其相关的过程模型, 评价产品制造方面的信息, 并做出设计决策。 (2) 产品性能评价, 包括对产品几何形状、空间布局、人机工程学性能、静态性能、动态性能等的评价。
2 虚拟样机的组成
通常, 虚拟样机应该包括如下三个主要模块。
(1) 3D立体模块:具备完善的物理模型描述能力。
(2) 人际交互模块:虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础, 实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互。
(3) 测试评估模块:产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心, 主要包括产品可制造性分析和产品性能评价, 例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、可加工性分析、可装配性分析、可维护性分析等等。
3 虚拟样机的软件化
1960年, 美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件——DYANA (Dynamic Analyzer) , 主要用于解决多自由度无约束的机械系统的动力学问题, 研制者用该软件进行了车辆的“质量-弹簧-阻尼”模型分析。对机构动力学进行仿真的软件主要有NUBEMM、SYM、CAMS、AUTOLEV、D I S C O S、D A D S、N E W E U L、D Y M A C、ADAMS、DAMS、EASY5等等。
近年来, 随着计算机硬件和软件技术的不断发展以及工程应用的推动, 商业化软件日趋成熟。众多的多体动力学软件都相继推出了市场, 而ADAMS、DADS、EASY5仍然在市场上有上佳的表现, 并且都有所发展, 特别是美国ADAMS软件在国内外应用都很广泛。
4 虚拟样机技术在国内外的应用
作为一项先进设计、制造技术, 虚拟样机技术在工业中广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、国防工业以及通用机械制造业等诸多领域。
在国外, 虚拟样机技术的应用非常广泛, 特别是成本高、系统复杂的飞机制造业对虚拟样机的需求最为迫切。1994年B oeing777在世界上首次借助虚拟样机技术成功取代大型物理模型, 保证了机翼和机身的一次接合成功, 缩短了数千小时的研发周期, 开创了虚拟样机技术研究应用的先河。1997年美国克莱斯勒汽车公司开发了“克莱斯勒数据可视化”仿真软件平台, 在对新产品“98”型汽车进行检查时, 发现了1500处零部件的干涉情况, 制作第一个实物模型前改进了大量的设计错误, 大大地缩短了产品设计周期。
在我国, 虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段, 但是正在逐步引起重视, 并将得到应用和推广。许多科研人员已在航天、航空、汽车、铁路机车等行业, 针对一些复杂产品开发, 开展了虚拟样机技术的应用研究工作。典型例子如航天部上海航天局第805研究所, 在1996年3月利用虚拟样机分析软件ADAMS, 完成了外翻式对接机构虚拟样机的开发工作, 利用三维动画形象地演示对接过程, 预测了空间站外翻式对接机构的性能和设计合理性, 实现了“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863项目“月球表面探测机器人方案研究”则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境, 并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究, 取得了很好的成果。
5 虚拟样机技术的未来
虚拟样机技术的目标是替代物理样机, 它可以大大改善当前产品的开发过程。制造商将虚拟样机技术引入各自的产品开发中, 取得了很好的经济效益;科研机构和大学也纷纷开展虚拟样机技术的应用研究。但是虚拟样机技术仍需在以下几个方面不断完善。
(1) 集设计、分析和仿真工具于一体。
现在还没有一种完美的方法来完成各种工具中数据的交换, 主要研究方向可能是产品数据的展示以及数据库。需要一种新的方法来完成各方面的整合, 使操作变得更加便利。
(2) 虚拟样机技术对产品可制造性分析和产品性能评价。
因为产品的可制造性包括可装配性、可维护性、可加工性分析, 这些不是很容易界定, 如何去测试这些方面, 仍然是一个需要解决的问题。虚拟样机技术的使用提供了一个有希望的途径。例如, 一个产品的可维护性可以通过一个一体化维护技师在虚拟的环境中来完成维护任务而被量化。然后, 将不同设计方案的可维护性进行比较, 得出结果。
(3) 虚拟样机系统的容错性。
当前的虚拟样机技术的方法和工具与物理样机间存在误差, 这种误差可能由于计算时间的延迟、图像处理时间的延迟以及用户在虚拟环境中操作的不确定性, 产品数据也会在各种平台的交换中损坏。因此需要一个容错虚拟仪器系统, 以确保虚拟仪器给出可靠的工程测试数据。
(4) 以虚拟样机技术为基础的优化设计。
如果产品各个属性都可以通过虚拟样机被充分地描绘出来, 可以获得一个量化的最优化设计。然而以虚拟样机技术为基础的优化设计展示了对传统优化设计方法的一个新的挑战。首先, 基于虚拟样机技术的优化必须非常有效地来确定最合适的设计, 因为在目前到可预测的未来虚拟样机技术是计算密集型技术。其次, 优化设计通常包括不同学科的多重设计目标, 因此它可以明确的解决各学科的优化问题。最后, 基于虚拟样机优化设计不得不考虑虚拟样机可能出现的错误, 获得的优化必须足以应对固有的模型误差和计算误差。当今的以仿真为基础的优化设计和多学科优化方法可能促进基于虚拟样机优化设计。
6 结语
21世纪, 产品结构日益多样化和个性化, 低周期、低成本、高质量以及灵活的市场反应能力成为了竞争的重点。用虚拟样机技术可在最短的时间, 以最少的成本推出质量最好的产品, 因而虚拟样机技术必将得到广泛的应用及推广。虚拟样机软件发展所面临的问题, 也将随着技术的日渐成熟而得以解决。
摘要：对比物理样机, 介绍虚拟样机技术的概念, 阐述了传统设计方法的问题和基于虚拟样机技术的现代设计方法的优势。论述了虚拟样机的组成、虚拟样机技术的应用和发展趋势。
关键词：虚拟样机技术,物理样机,计算机仿真,ADMAS
参考文献
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