虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用

李寒杰

（徐州东方传动机械有限公司，江苏 徐州221116）

虚拟样机技术 (Virtual Prototyping Technology，VPT)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。利用虚拟样机可以代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，从而缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量。

1 虚拟样机技术的特点

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。

传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，可是，人们已清楚地认识到：即使系统中的每个子系统都是经过优化的，也不能保证整个系统的性能是良好的，即系统级的优化绝不是系统中各子系统优化的简单叠加。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。

2 虚拟样机技术的应用

近年来，虚拟样机技术已在国内外产品开发中得到广泛应用，应用领域从汽车制造工业、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诸多方面。

2.1 国外虚拟样机技术的应用

美国波音飞机公司波音777飞机是世界上首架以无图纸方式研发机制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。对比以往的飞机研制，波音777成本降低25%，制造周期缩短50%，并且确保了最终产品一次接装成功。

作为生产工程机械的著名厂商John Deere公司，为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，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到验证，从而大大提高产品的高速行驶性能与重载作业性能。在此之前，传统的分析方法始终找不出原因。

福特、Caterpillar等国外著名公司也广泛采用虚拟样机技术，以减低开发设计的风险和成本，改进产品质量，并取得良好的经济效益。

2.2 国内虚拟样机技术的研究应用

在国内，目前对虚拟样机技术及其应用研究，一方面集中于对其技术内涵、组成、运行模式、体系结构及其使能技术进行探讨，以期构建自主的虚拟样机开发支持环境。另一方面，则侧重于虚拟样机技术在各领域的应用研究。如中航第一飞机研究院成功推出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面计算仿真环境，并对涉及到的多项关键技术进行深入研究，取得很好的成果。各研究院所纷纷开展虚拟样机技术在汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等方而的应用研究、仿真分析及二次开发。通过对虚拟样机各关键技术的深入研究，必将促进虚拟样机技术的推广应用，增强我国企业的产品开发能力。

3 虚拟样机技术在工程机械上的应用

3.1 工程机械虚拟样机技术的基本内涵

新型工程机械的开发受到产品安全性、可靠性、舒适性、美观性、可制造性及可维护性等的制约，在虚拟设计环境下，利用其可视化优势，使技术设计、部件装配、结构分析和性能优化融合在计算机虚拟现实环境中进行，并综合考虑车辆的外观总体布局及一些诸如运动约束，可接近性等特征，对产品几何尺寸、功能、制造等进行交互式快速建模与分析，生成的模型可被直接操纵与修改，数据可被反复重新利用。

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。

3.2 工程机械虚拟样机工程的体系结构

工程机械是典型的机、电、液一体化的设备，其虚拟样机工程的体系结构可以抽象为由协同设计支撑平台、产品模型、虚拟样机引擎和虚拟现实可视化环境四部分组成，如图1所示。其中，协同设计支撑平台提供一个协同设计环境，包括集成平台/框架、项目管理等工具。产品模型包括系统产品主模型、机械子系统模型、电子系统模型、液压子系统模型、控制子系统模型，软件子系统模型、系统级产品主模型负责产品在系统级层次上的设计与样机的外观、功能、性能的建模，如样机的动力学、运动学建模仿真。VP引擎包括各领域CAX/DFX工具集，对样机外观/功能、性能及环境进行模拟仿真，并将生成的数据送入VR可视化环境，从外观、功能及在虚拟样机环境下的各种行为上展示虚拟样机。

图1 工程机械虚拟样机体系结构

3.3 工程机械虚拟样机的开发流程

虚拟样机的开发流程如图2所示，从产品需求分析到评估测试，通过使用相关产品开发工具，在虚拟环境中构造产品的虚拟样机，这是一个循环渐近的过程。基于产品的开发要求，采用相应的仿真分析工具对虚拟样机的功能/性能进行仿真分析，对虚拟样机的行为进行模拟分析，并根据仿真分析结果，通过产品全生命周期的反复建模/仿真分析与模型的改进，开发出满足产品预期设计目标的虚拟样机。

图2 虚拟样机开发的一般流程

3.4 工程机械虚拟样机设计的总体结构

虚拟样机工程总体技术应从全局出发，解决涉及到系统全局的问题，考虑构成虚拟样机工程各部分之间的关系，规定和协调各部分系统的运行，并将它们组成有机整体，实现信息和资源的共享，实现总体目标。虚拟样机的设计主要由以下几部分组成：:初步设计方案的确定、概念设计、详细设计、仿真分析和结构优化设计等，各个部分由不同的设计人员并行设计。由于各部分的功能活动存在相互依赖的关系，为保证产品开发队伍的协同工作，实现在分布环境中群体活动的信息交换与共享，必须对设计过程进行动态调整和监控及构造合适的并行设计工作环境，以保证并行设计的顺利进行，缩短虚拟样机开发周期。图3为工程机械虚拟样机设计的总体结构图。

3.5 工程机械虚拟样机研究平台的构建

根据并行设计思想，运用目前市场上一批成熟的CAD，CAE商业软件，可构建实现如图3所示的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。

图3 工程机械虚拟样机的总体结构

4 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，体现一种全新的开发模式，它在工程领域的迅速发展，必将给企业带来重大的影响。

（1）高效的开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。

（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产品开发的主流。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。

[1]熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报，2001，1（1）:22-23.

[2]李伯虎，柴旭东.复杂产品虚拟样机工程[J].计算机集成制造系统—CIMS，2002，8（9）:88-89.

[3]李伯虎，柴旭东，朱文海等.复杂产品协同制造支撑环境技术的研究[J].计算机集成制造系统—CIMS，2003，9（8）:67-68.

[4]Reinhart,Schneider,Wesenherger M.Cooperative Developmentof Technological complex Products[J].Industrial Engineering and Management，2000，（2）:102-103.