虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

1虛擬樣機(jī)的概念目前，中國(guó)還沒有統(tǒng)一的定義虛擬原型技術(shù)。以下是一些更具代表性的討論。(1)虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建筑第一臺(tái)物理樣機(jī)之前,設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。(2)虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型,它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性。借助于這項(xiàng)技術(shù),設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性并根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)和優(yōu)化系統(tǒng)。(3)虛擬樣機(jī)技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢(shì)以及可交互式探索虛擬物體的功能,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上,把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合,為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)方法。2虛擬腳本技術(shù)的應(yīng)用程序2.1樣機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證難隨著人類邁進(jìn)21世紀(jì),經(jīng)濟(jì)貿(mào)易全球化和我國(guó)加入WTO,產(chǎn)品消耗結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展。面對(duì)無法預(yù)測(cè)、持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)需求,要想在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的市場(chǎng)上取勝,縮短開發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本以及對(duì)市場(chǎng)的靈活反應(yīng)成為競(jìng)爭(zhēng)者們所追求的目標(biāo)。誰早推出產(chǎn)品,誰就占有市場(chǎng);誰產(chǎn)品性能可靠,價(jià)格合理,誰就受到用戶的青睞。然而,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方式無法滿足這些要求。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中,首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證,然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后,為了驗(yàn)證設(shè)計(jì),通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)甚至是破壞性的。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí),又要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)過程,產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過程是冗長(zhǎng)的,尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)周期無法縮短,更不用談對(duì)市場(chǎng)的靈活反應(yīng)了。樣機(jī)的單機(jī)手工制造增加了成本。在大多數(shù)情況下,工程師為了保證產(chǎn)品按時(shí)投放市場(chǎng)而中斷這一過程,使產(chǎn)品在上市時(shí)便有先天不足的毛病。在競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)的背景下,基于實(shí)際樣機(jī)上的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品的質(zhì)量的提高、成本的降低和對(duì)市場(chǎng)的占有。為了克服傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程的弊端,縮短設(shè)計(jì)制造周期,降低成本,一種新的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,這就是虛擬樣機(jī)技術(shù)。2.2虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念虛擬樣機(jī)技術(shù)源于對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究。工程中的對(duì)象是由大量零部件構(gòu)成的系統(tǒng),對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化與性態(tài)分析時(shí)可以分為兩類:①結(jié)構(gòu),其特征是在正常的工況下構(gòu)件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),如房屋建筑、橋梁、車輛殼體及零部件本身。②機(jī)構(gòu),其特征是系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中部件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),如航空航天器、汽車、機(jī)車、操作機(jī)械臂、機(jī)器人等復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。此外,在研究宇航員的空間運(yùn)動(dòng)、在車輛的事故中考慮駕駛員的運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作分析時(shí),人體也可認(rèn)為是軀干與四肢之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。上述復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型為多個(gè)物體通過運(yùn)動(dòng)副連接的系統(tǒng),稱為多體系統(tǒng)。對(duì)于復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)人們關(guān)心的問題大致有三類。一是在不考慮運(yùn)動(dòng)起因的情況下研究各部件的位置和姿態(tài)以及它們變化速度與加速度的關(guān)系,即系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;二是當(dāng)系統(tǒng)受到靜荷載時(shí),確定在運(yùn)動(dòng)副制約下的系統(tǒng)平衡位置以及運(yùn)動(dòng)副靜反力,稱為系統(tǒng)的靜力學(xué)分析;三是討論荷載與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,即動(dòng)力學(xué)問題。20世紀(jì)60年代,古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的力學(xué)分支——多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐的推動(dòng)下產(chǎn)生了。其主要任務(wù)是:(1)建立復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型,開發(fā)實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)學(xué)模型的軟件系統(tǒng),用戶只需輸入描述系統(tǒng)的最基本數(shù)據(jù),借助計(jì)算機(jī)就能自動(dòng)進(jìn)行程式化的處理。(2)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)有效的處理數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法與數(shù)值積分方法,自動(dòng)得到運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。(3)實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理,采用動(dòng)畫顯示、圖表或其他方式提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果。目前,多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)已形成了比較系統(tǒng)的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程為代表的分析力學(xué)方法、以牛頓-歐拉方程為代表的矢量學(xué)方法、圖論方法、凱恩方法和變分方法等。盡管虛擬樣機(jī)技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心,但沒有成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),虛擬樣機(jī)技術(shù)也不會(huì)成熟。虛擬樣機(jī)技術(shù)在技術(shù)與市場(chǎng)兩個(gè)方面的也與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的成熟及大規(guī)模推廣應(yīng)用分不開。首先,CAD中的三維幾何造型技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)師們的精力集中在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)上,把繪圖等繁瑣的工作交給計(jì)算機(jī)去做。這樣,設(shè)計(jì)師就有額外的精力關(guān)注設(shè)計(jì)的正確和優(yōu)化問題。其次,三位造型技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)中的機(jī)械系統(tǒng)描述問題變得簡(jiǎn)單。再次,由于CAD強(qiáng)大的三維幾何編輯修改技術(shù),使機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)的快速修改變?yōu)榭赡?在這個(gè)基礎(chǔ)上,在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)的反復(fù)過程才有時(shí)間上的意義。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展也直接受其構(gòu)成技術(shù)的制約。一個(gè)明顯的例子是它對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的依賴。這種依賴在處理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)尤其明顯。例如火星探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)及控制系統(tǒng)模擬是在惠普700工作站上進(jìn)行的,CPU時(shí)間用了750h。另一個(gè)例子,數(shù)值方法上的進(jìn)步發(fā)展也會(huì)對(duì)基于虛擬樣機(jī)的仿真的速度及精度有積極的影響。綜上所述,虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)。它的核心部分是多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支的數(shù)值算法及時(shí)地提供了求解這種問題的有效快速的算法。計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展為這項(xiàng)技術(shù)提供了友好的用戶界面。CAD/FEA等技術(shù)的發(fā)展為虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。目前,虛擬樣機(jī)技術(shù)已成為一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)技術(shù),它改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(如零部件的CAD和FEA有限元分析)集成在一起,提供一個(gè)全新研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。它通過設(shè)計(jì)中的反饋信息不斷地指導(dǎo)設(shè)計(jì),保證產(chǎn)品尋優(yōu)開發(fā)過程順利進(jìn)行,對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。3虛擬腳本技術(shù)的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用3.1虛擬樣機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)同傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)方法相比,虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn):(1)全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)是一個(gè)串行過程,這種方法存在很多的弊端。而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化,它基于并行工程(ConcurrentEngineering),使產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征以及所具有的響應(yīng),直至獲得最優(yōu)工作性能。(2)更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量。采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法有助于擺脫對(duì)物理樣機(jī)的依賴。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型(即虛擬樣機(jī)),可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)(成本和時(shí)間條件不允許),從而無需制造及試驗(yàn)物理樣機(jī)就可獲得最優(yōu)方案,因此不但減少了物理樣機(jī)的數(shù)量,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。(3)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的重要手段。目前世界范圍內(nèi)廣泛地接受了動(dòng)態(tài)聯(lián)盟(VirtualCompany)的概念,即為了適應(yīng)快速變化的全球市場(chǎng),克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性,出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi),通過Internet臨時(shí)締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)。為實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造,參盟企業(yè)之間產(chǎn)品信息的敏捷交流尤顯重要,而虛擬樣機(jī)是一種數(shù)字化模型,通過網(wǎng)絡(luò)輸送產(chǎn)品信息,具有傳遞快速、反饋及時(shí)的特點(diǎn),進(jìn)而使動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的活動(dòng)具有高度的并行性。3.2在其他領(lǐng)域應(yīng)用較少目前,虛擬樣機(jī)技術(shù)已在我國(guó)得到了應(yīng)用與推廣,主要在汽車、航天航空、武器制造、機(jī)械工程等等。但是從目前我國(guó)的情況來看,虛擬樣機(jī)技術(shù)主要在汽車制造業(yè)和武器裝備制造業(yè)中應(yīng)用較為廣泛,但是也只停留在初步應(yīng)用階段。在其他的行業(yè)應(yīng)用較少,主要是在專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和高校研究機(jī)構(gòu)中應(yīng)用?？梢娢覈?guó)對(duì)于虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)水平還很低,但是卻有很大的提升空間。虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。所涉及的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機(jī)的快門,上天的火箭到輪船的錨鏈。在各個(gè)領(lǐng)域里,針對(duì)各種產(chǎn)品,虛擬樣機(jī)技術(shù)都為用戶節(jié)約了開支、時(shí)間并提供了滿意的設(shè)計(jì)方案。4其他機(jī)械系統(tǒng)研究軟件虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商業(yè)化虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。國(guó)外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)軟件的商業(yè)化過程已經(jīng)完成。目前由二十多家公司在這個(gè)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)。比較有影響的有美國(guó)機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件,CADSI的DADS(DynamicAnalysisandDesignSystem)動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件,德國(guó)航天局的SIMPACK。其中美國(guó)機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司的ADAMS占據(jù)了市場(chǎng)的50%以上。其它軟件的還有WorkingModel、Folw3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等等。由于機(jī)械系統(tǒng)仿真分析提供的分析技術(shù)能夠滿足真實(shí)系統(tǒng)并行工程設(shè)計(jì)要求,通過建立機(jī)械系統(tǒng)的模擬樣機(jī),使得在物理樣機(jī)建造前便可分析出它們的工作性能,因而其日益受到國(guó)內(nèi)外機(jī)械領(lǐng)域的重視。5應(yīng)用虛擬模型技術(shù)的項(xiàng)目選擇應(yīng)該指出,每一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)都為傳統(tǒng)的工業(yè)的進(jìn)步提供了一個(gè)契機(jī),也為落后者提供了追趕的捷徑。雖然我國(guó)的制造業(yè)水平較發(fā)達(dá)國(guó)家的水平相比尚有差距,但虛擬模型技術(shù)及其他仿真技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)加速追趕的速度。比如,國(guó)外產(chǎn)品的高設(shè)計(jì)質(zhì)量部分源于多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),借助于在虛擬模型上的模擬,國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)師和分析師們會(huì)很快取得這些經(jīng)驗(yàn),即時(shí)用到新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及老產(chǎn)品的升級(jí)換代。盡管虛擬模型技術(shù)是一項(xiàng)通用技術(shù),適用于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程,但結(jié)合我國(guó)的特殊情況,這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)優(yōu)先應(yīng)用于以下方面:(1)重點(diǎn)機(jī)械投資項(xiàng)目。這種項(xiàng)目投資額大,任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的失誤都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)用虛擬模型技術(shù)不僅可以避免損失,而且會(huì)找到滿意的經(jīng)過優(yōu)化方案。與龐大的投資相比,建立虛擬模型及模擬的費(fèi)用微乎其微。(2)樣機(jī)引進(jìn)項(xiàng)目。自開放以來,我國(guó)從發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了各種機(jī)械設(shè)備的樣機(jī)予以仿制,以期提高國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的水平。但效果總是差強(qiáng)人意。一個(gè)很重要的原因是仿制停留在零件照抄的低水平上,對(duì)于樣機(jī)缺乏系統(tǒng)水平上的