虚拟样机技术在工程机械领域的应用

　　随着全球经济的一体化，工程机械产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。

　　在各种成熟的三维CAD、CAE商业计算机软件的推动下，虚拟样机技术（Virtual Prototype）不断发展，使工程机械产品的虚拟设计逐步走向成熟。但对于虚拟样机技术这种新观念、新技术，目前尚无统一的定义与体系结构，因此许多国内企业面对市场上众多的CAD、CAE商业软件，却不能充分应用虚拟样机技术。本文从虚拟样机技术的概念出发，基于并行设计思想，构建了适合工程机械的虚拟样机研究平台。

　　1 虚拟样机技术

　　虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机械系统的数字模型，从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。

　　虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。另一方面，传统的产品设计方法是一个串行的过程，各子系统（如：整机结构、液压系统、控制系统等）的设计都是独立的，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成严重浪费。运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。

　　虚拟样机技术已被广泛应用在航空航天、汽车制造、工程机械、铁道、造船、军事装备、机械电子，以及娱乐设备等各个领域。在航空航天领域有许多成功应用：空间系统的捕捉与对接，飞船与空间飞行器发射、对接、着陆过程仿真，太阳帆板展开机构分析与设计，飞机起落架工作过程等。在军用装备方面有目标跟踪系统与控制系统设计，武器装填与发射系统仿真，履带式和轮式车辆动力学仿真，重型坦克跨越障碍能力，坦克行驶稳定性优化与炮塔控制等。通用机械方面，虚拟样机技术在机器人、纺织机械、工业机床、包装机械等生产机械领域有更广泛的应用。

　　虚拟样机技术在工程机械领域可应用的方面有：履带式和轮式车辆稳定性、操作性能研究，液压系统、牵引设备性能预测，推土机、挖掘机、林业机械等动态性能研究，零部件和发动机载荷预测与尺寸确定，驾驶员视野研究，预测挖掘机所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。图1为液压挖掘机虚拟样机，图2为履带虚拟样机正在进行性能测试。

　　2 基于并行设计的虚拟样机研究平台

　　工程机械产品传统的设计过程如图3所示。传统设计过程难以发现现有方案中存在的不足，产品有潜在的质量问题；物理样机设计、制造和测试周期长，消耗大，方案不易改动；难以找到最优方案，造成产品材料的浪费；难以预测产品寿命，产品可靠性不高。

　　针对产品传统设计过程的弊端，根据并行设计思想，利用现有虚拟样机技术的构成技术和产品，可构建工程机械产品开发的虚拟样机研究平台，如图4所示。

　　虚拟样机技术在工程机械领域的应用

　　产品的设计流程包含结构设计、结构有限元分析、系统运动学与动力学分析、控制系统设计、虚拟样机作业过程模拟、系统稳定性与安全性评价、系统故障预测及冗余设计等。该设计过程在设计初期就充分考虑结构系统与控制系统的相互耦合作用，并进行产品作业全过程的计算机模拟，预测产品的性能、寿命及可靠性，从而缩短了开发周期，降低产品开发成本和开发风险。

　　运用目前市场上一批成熟的CAD、CAE商业软件，可实现如图4所示工程领域虚拟样机研究平台。在产品结构三维CAD设计方面有 Pro/Engineer、UG、SolidWorks、SolidEdge等。结构分析软件有ANSYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等。运动学和动力学仿真软件可采用ADAMS软件。控制系统仿真软件可采用MATHWORKS公司的MATLAB软件。CAD、CAE软件的商业化提供了上述各软件之间数据的相互接口，并且具有十分强大的二次开发能力。通过三维CAD设计的结构模型可传入结构分析软件和运动学、动力学仿真软件ADAMS中进行分析。在ADAMS中建立多体模型并定义变量，定义的变量通过ADAMS和MATLAB的接口，传输到MATLAB中，对控制方案进行仿真。仿真结果可再传回ADAMS中进行分析。通过重复这样的设计-仿真交互，直到得到满意的结果。

　　3 虚拟样机技术在工程机械领域的发展前景

　　虚拟样机技术的发展，使产品设计可摆脱对物理样机的依赖，体现了一种全新的研发模式，它在工程领域的迅速发展，必将给企业带来重大的影响。

　　（1）高效的研发手段促使产品的更新换代加快，产品开发风险降低，企业的生产效率将大大提高。“最快者生存”将成为企业市场竞争的法则。

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　　（2）虚拟产品的销售。虚拟样机技术和柔性制造技术已经使虚拟产品销售成为可能，即企业先通过虚拟样机找到客户，再组织生产。因此企业在产品制造和市场竞争方面更具灵活性。

　　（3）企业间的动态联盟。产品的数字化使企业能够通过Internet进行产品信息的快速交流，克服单个企业资源的局限性，将具有开发某种新产品所需的知识和技术的不同组织或企业组成一个临时的企业联盟，即企业间的动态联盟，以适应瞬息万变的市场需求和激烈竞争。

　　（4）对技术人员提出更高要求。基于虚拟样机技术的并行工程是一门综合多学科的技术，是对产品相关过程进行并行、一体化设计的一种系统技术。它组织多学科的产品开发小组协同工作，因此各子系统设计员必须了解虚拟样机技术相关专业的知识，专业分析员也必将转变为产品设计者。协同工作能力将成为企业技术人员最重要的素质。

　　可以预见,在21世纪虚拟样机技术必将成为工程机械领域产品研发的主流。国内各企业应加强对它的应用研究，使产品更具市场竞争力，迎接全球经济一体化的挑战。

　　参考文献
　　1 曾芬芳. 虚拟现实技术. 上海：上海交通大学出版社, 1997
　　2 姜虹,朱文海等. 结构与控制系统协同并行设计技术研究. 美国MDI公司2001年ADAMS中国用户年会会议论文
　　3 冯雅丽,李瑞涛等. 虚拟样机技术及其在深海采矿系统开发中的应用前景. 2001中国大洋矿产资源研究开发学术研讨会论文集