基于机械系统虚拟样机技术的研究与开发研究

李彩风　孙振杰　张晓芳　李文涛　白帅伟

作为一门新技术，机械系统的虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是开发原型和解决复杂机械性能问题的有效技术工具，也是一种动态仿真分析工具。其不仅可以减少制造商对物理原型的过度依赖，而且有效地减少了机械产品的设计时间，确保了产品质量，并大大降低了建筑成本。

1.产生背景

随着现代科学技术进步和经济全球化的迅速发展，技术设计的理论、方法和手段发生了巨大变化。特别是在过去30年中，设计技术的进步和数字化程度（例如CAD和FEA技术）的加深决定了产品的设计和交付周期、质量和成本。CAD技术是技术设计中最古老、最成功的计算机应用示例，它的广泛使用已从根本上改变了传统设计基于经验的方式，使设计师摆脱了冗长而繁琐的手工绘制方法，生成了数字化的图形数据。图形的清晰、可修改等特性，不仅可以提高工程图的绘制质量和速度，还可以使计算机预先实现产品最终的外形结构。方便在设计完成之前进行评估，更重要的是设计师可以在创意工作上花费更多的时间和精力，并为项目带来巨大的收益。在设计过程中使用FEA技术极大地改善了产品的设计方式，有助于设计人员分析机械系统部件的结构强度、刚度、热性能和动态性能。这不仅促进了CAD技术在各个行业中的应用，而且解决了迄今为止许多很难解决的技术问题。

但是，随着科学技术的进步，即使对机械系统的每个组件都进行了优化，也无法保证整个系统的性能良好，即系统级优化并不是简单地对各种系统组件的优化叠加。常规的技术方法不能满足需求，因此在这种背景下，产生了一种新技术，即虚拟样机技术。虚拟样机技术是机械系统设计过程中的一项先进技术，是在此阶段解决此问题的最有效的技术解决方案。通常，大多数公司都在使用常规的设计方法，也就是首先绘制各种附图和技术图纸，然后根据经验，经过长时间的验证，选择一种更合适的方法并尝试物理样机，运行实验设置以在各种操作条件下测试物理样机。如果认为其设计或操作特性有缺陷，则需要更改建筑图和技术图，并重新制造和测试物理样机。显而易见，这种手段大大增加了产品的成本和开发周期，并不能更准确的选择最合适的方案。但虚拟样机技术可以从CAD技术中提供的相关信息分析并提取有用信息，从而获得虚拟样机并选择出最优化的方案。虚拟样机技术作为复杂机械系统动力学的样机设计和仿真研究的有效手段，不仅可以帮助产品制造商摆脱对物理样机的过度依赖，而且可以缩短产品的设计开发周期，提高质量，降低成本，从而突破了“瓶颈”，促进了产品设计水平的提高。

2.目前国内研究存在的问题

目前国际上对虚拟样机技术的开发已经成熟，但在国内仍存在一些问题：

第一，对虚拟样机技术的研究范围比较窄，尚在实验室阶段停留，难以在实际工程中應用。国内专家对这一方面的重视程度尚未达到所需水平，有待进一步加强。第二，对虚拟样机技术的软件开发和商品化重要性认识不足。从社会学角度来看，软件商品化以后才能产生经济效益和社会效益，才能推动经济和社会的发展和进步，国内研究对这一方面的认识尚缺，有待提升。

3机械系统虚拟样机技术的开发与研究分析

3.1实现面向对象技术与机械系统虚拟样机技术的有机结合

近年来，面向对象技术已变得非常流行，它是当前快速发展起来的一项新技术。它的技术原理基于一种面向对象的计算机语言，但是目前已经超出了计算机和软件领域的研究和开发范围。面向对象技术的逻辑方式类似于人类的思维，并且可以适应人类的思维习惯，因此比较适合解决复杂的问题，在计算机软件开发方面表现出强大的实力，是解决软件危机的核心技术，人们已普遍将其看作是解决软件系统危机的最有利的突破。如果机械系统的虚拟样机技术可以发挥实际效用，那么第一个要求就是拥有一套方便且实用的软件系统。该软件系统的研究和开发非常复杂，此时，面对对象技术的存在就显得尤为重要。机械系统的面向对象技术与虚拟样机技术的有机结合，可以有效减轻软件系统研发的复杂性，大大提高软件的运行稳定性。

3.2实现图论法与机械系统虚拟样机技术的有机结合

图论法是一种具有高实用价值的学科，属于数学分支，被广泛用于计算机科学、生物学、工程学和社会科学等各个领域。图论法当前被广泛应用在机械系统的虚拟样机技术中，用来描述机械系统数据结构，尽管目前尚处于初步研究阶段，但仍有很好的应用前景，可以有效解决确定机械系统自由度的求解问题。目前最重要的是机械系统的有效设计，以便在计算机上构建合适的数据结构，同时也是研究和软件开发的良好基础，还可以为图论法与虚拟样机技术的有机结合打下坚实的基础。

3.3构建以图形为基础的前后处理界面

尽管机械系统虚拟样机技术的软件系统包括机械学、运动学、数学等多个领域的经验，且技术本身要求具备很高的专业知识水平，但用户大多是仅在机械制造领域具有一般知识的开发人员或技术人员，因此计算机图形人机交互界面的方便程度和可用性直接决定设计者和工程师对软件系统的接受程度，提高了人机交互图形界面的直观性和便利性，为IT专业人员提供更好的服务。

3.4综合应用上述建模原理及算法，设计开发软件原型系统

虚拟样机技术必须依靠良好的软件系统来充分发挥其工程实践的作用，这一点与FEA技术非常相似。有限元法作为求解微分方程的数值方法，具有悠久的历史，在发明数字电子计算机之前很难有所作为。市场上的FEA软件（NASTRAN，ANSYS，ADINA，MARC等）以及在工程实践中的应用，在工程实践中发挥着重要作用。但是，实现机械系统虚拟样机技术的软件系统非常复杂，并且在达到理想水平之前，需要很长时间进行许多复杂而艰巨的工作。经过专业公司20多年的不断开发，才达到目前的水平。当前，我们的任务是进行深入研究，以归纳上述研究结果中机械系统虚拟样机和原型软件系统的设计和开发问题的最大可能研究和动态，并奠定虚拟样机系统技术和软件系统的基础。

4.结语

经济发展、社会进步的同时，机械技术化手段也在不断进步，传统的技术已不能完全满足时代需求，因此虚拟样机技术被研究利用，不仅可降低机械制造者对物理样机的过分依赖，而且可有效压缩机械产品设计时长，进而在保证产品质量的同时，大大节约设计成本。中国对机械系统虚拟样机技术的研究虽然仍处于初步阶段，但在机械制造中已被作为先进的数字设计技术使用。同时，虚拟样机技术在机械系统中的积极作用要求使用先进的软件系统来最大化设计功能。