虛擬樣機技術及其在工程機械領域的應用

李寒杰

（徐州東方傳動機械有限公司，江蘇 徐州221116）

虛擬樣機技術 (Virtual Prototyping Technology，VPT)是一門綜合多學科的技術，它是在制造第一臺物理樣機之前，以機械系統運動學、多體動力學、有限元分析和控制理論為核心，運用成熟的計算機圖形技術，將產品各零部件的設計和分析集成在一起，建立機械系統的數字模型，從而為產品的設計、研究、優化提供基于計算機虛擬現實的研究平臺。因此虛擬樣機亦被稱為數字化功能樣機。利用虛擬樣機可以代替物理樣機對產品進行創新設計、測試和評估，從而縮短開發周期，降低成本，改進產品設計質量。

1 虛擬樣機技術的特點

虛擬樣機技術不僅是計算機技術在工程領域的成功應用，更是一種全新的機械產品設計理念。

傳統的仿真一般是針對單個子系統的仿真，可是，人們已清楚地認識到：即使系統中的每個子系統都是經過優化的，也不能保證整個系統的性能是良好的，即系統級的優化絕不是系統中各子系統優化的簡單疊加。而虛擬樣機技術則是強調整體的優化，它通過虛擬整機與虛擬環境的耦合，對產品多種設計方案進行測試、評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優的整機性能。

另一方面，傳統的產品設計方法是一個串行的過程，各子系統如：整機結構、液壓系統、控制系統等的設計都是獨立的，忽略各子系統之間的動態交互與協同求解，因此設計的不足往往到產品開發的后期才被發現，造成嚴重浪費。運用虛擬樣機技術可以快速地建立包括控制系統、液壓系統、氣動系統在內的多體動力學虛擬樣機，實現產品的并行設計，可在產品設計初期及時發現問題、解決問題，把系統的測試分析作為整個產品設計過程的驅動。

2 虛擬樣機技術的應用

近年來，虛擬樣機技術已在國內外產品開發中得到廣泛應用，應用領域從汽車制造工業、工程機械、航空航天業、造船業、機械電子工業、國防工業、通用機械到人機工程學、生物力學、醫學以及工程咨詢等諸多方面。

2.1 國外虛擬樣機技術的應用

美國波音飛機公司波音777飛機是世界上首架以無圖紙方式研發機制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術。對比以往的飛機研制，波音777成本降低25%，制造周期縮短50%，并且確保了最終產品一次接裝成功。

作為生產工程機械的著名廠商John Deere公司，為解決工程機械在高速行駛時的蛇行現象及在重載下的自激振動問題，公司的工程師利用虛擬樣機技術，不僅找到了原因，而且提出了改進方案，并且在虛擬樣機上得到驗證，從而大大提高產品的高速行駛性能與重載作業性能。在此之前，傳統的分析方法始終找不出原因。

福特、Caterpillar等國外著名公司也廣泛采用虛擬樣機技術，以減低開發設計的風險和成本，改進產品質量，并取得良好的經濟效益。

2.2 國內虛擬樣機技術的研究應用

在國內，目前對虛擬樣機技術及其應用研究，一方面集中于對其技術內涵、組成、運行模式、體系結構及其使能技術進行探討，以期構建自主的虛擬樣機開發支持環境。另一方面，則側重于虛擬樣機技術在各領域的應用研究。如中航第一飛機研究院成功推出國內首架飛機全機規模電子樣機；863項目“月球表面探測機器人方案研究”，則運用虛擬樣機技術構造虛擬月面計算仿真環境，并對涉及到的多項關鍵技術進行深入研究，取得很好的成果。各研究院所紛紛開展虛擬樣機技術在汽車制造業、工程機械、航天航空業、國防工業及通用機械制造業等方而的應用研究、仿真分析及二次開發。通過對虛擬樣機各關鍵技術的深入研究，必將促進虛擬樣機技術的推廣應用，增強我國企業的產品開發能力。

3 虛擬樣機技術在工程機械上的應用

3.1 工程機械虛擬樣機技術的基本內涵

新型工程機械的開發受到產品安全性、可靠性、舒適性、美觀性、可制造性及可維護性等的制約，在虛擬設計環境下，利用其可視化優勢，使技術設計、部件裝配、結構分析和性能優化融合在計算機虛擬現實環境中進行，并綜合考慮車輛的外觀總體布局及一些諸如運動約束，可接近性等特征，對產品幾何尺寸、功能、制造等進行交互式快速建模與分析，生成的模型可被直接操縱與修改，數據可被反復重新利用。

虛擬樣機技術在工程機械領域可應用的方面有：履帶式和輪式車輛穩定性、操作性能研究，液壓系統、牽引設備性能預測，推土機、挖掘機、林業機械等動態性能研究，零部件和發動機載荷預測與尺寸確定，駕駛員視野研究，預測挖掘機所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。

3.2 工程機械虛擬樣機工程的體系結構

工程機械是典型的機、電、液一體化的設備，其虛擬樣機工程的體系結構可以抽象為由協同設計支撐平臺、產品模型、虛擬樣機引擎和虛擬現實可視化環境四部分組成，如圖1所示。其中，協同設計支撐平臺提供一個協同設計環境，包括集成平臺/框架、項目管理等工具。產品模型包括系統產品主模型、機械子系統模型、電子系統模型、液壓子系統模型、控制子系統模型，軟件子系統模型、系統級產品主模型負責產品在系統級層次上的設計與樣機的外觀、功能、性能的建模，如樣機的動力學、運動學建模仿真。VP引擎包括各領域CAX/DFX工具集，對樣機外觀/功能、性能及環境進行模擬仿真，并將生成的數據送入VR可視化環境，從外觀、功能及在虛擬樣機環境下的各種行為上展示虛擬樣機。

圖1 工程機械虛擬樣機體系結構

3.3 工程機械虛擬樣機的開發流程

虛擬樣機的開發流程如圖2所示，從產品需求分析到評估測試，通過使用相關產品開發工具，在虛擬環境中構造產品的虛擬樣機，這是一個循環漸近的過程。基于產品的開發要求，采用相應的仿真分析工具對虛擬樣機的功能/性能進行仿真分析，對虛擬樣機的行為進行模擬分析，并根據仿真分析結果，通過產品全生命周期的反復建模/仿真分析與模型的改進，開發出滿足產品預期設計目標的虛擬樣機。

圖2 虛擬樣機開發的一般流程

3.4 工程機械虛擬樣機設計的總體結構

虛擬樣機工程總體技術應從全局出發，解決涉及到系統全局的問題，考慮構成虛擬樣機工程各部分之間的關系，規定和協調各部分系統的運行，并將它們組成有機整體，實現信息和資源的共享，實現總體目標。虛擬樣機的設計主要由以下幾部分組成：:初步設計方案的確定、概念設計、詳細設計、仿真分析和結構優化設計等，各個部分由不同的設計人員并行設計。由于各部分的功能活動存在相互依賴的關系，為保證產品開發隊伍的協同工作，實現在分布環境中群體活動的信息交換與共享，必須對設計過程進行動態調整和監控及構造合適的并行設計工作環境，以保證并行設計的順利進行，縮短虛擬樣機開發周期。圖3為工程機械虛擬樣機設計的總體結構圖。

3.5 工程機械虛擬樣機研究平臺的構建

根據并行設計思想，運用目前市場上一批成熟的CAD，CAE商業軟件，可構建實現如圖3所示的工程領域虛擬樣機研究平臺。在產品結構三維CAD設計方面有Pro/Engineer，UG，SolidWorks，SolidEdge等。結構分析軟件有ANSYS，PATRAN，NASTRAN，MARC等。運動學和動力學仿真軟件可采用ADAMS軟件。控制系統仿真軟件可采用MATHWORKS公司的MATLAB軟件。CAD，CAE軟件的商業化提供了上述各軟件之間數據的相互接口，并且具有十分強大的二次開發能力。通過三維CAD設計的結構模型可傳入結構分析軟件和運動學、動力學仿真軟件ADAMS中進行分析。在ADAMS中建立多體模型并定義變量，定義的變量通過ADAMS和MATLAB的接口，傳輸到MATLAB中，對控制方案進行仿真。仿真結果可再傳回ADAMS中進行分析。通過重復這樣的設計—仿真交互，直到得到滿意的結果。

圖3 工程機械虛擬樣機的總體結構

4 虛擬樣機技術在工程機械領域的發展前景

虛擬樣機技術的發展，使產品設計可擺脫對物理樣機的依賴，體現一種全新的開發模式，它在工程領域的迅速發展，必將給企業帶來重大的影響。

（1）高效的開發手段促使產品的更新換代加快，產品開發風險降低，企業的生產效率將大大提高。“最快者生存”將成為企業市場競爭的法則。

（2）虛擬產品的銷售。虛擬樣機技術和柔性制造技術已經使虛擬產品銷售成為可能，即企業先通過虛擬樣機找到客戶，再組織生產。因此企業在產品制造和市場競爭方面更具靈活性。

（3）企業間的動態聯盟。產品的數字化使企業能夠通過Internet進行產品信息的快速交流，克服單個企業資源的局限性，將具有開發某種新產品所需的知識和技術的不同組織或企業組成一個臨時的企業聯盟，即企業間的動態聯盟，以適應瞬息萬變的市場需求和激烈競爭。

（4）對技術人員提出更高要求。基于虛擬樣機技術的并行工程是一門綜合多學科的技術，是對產品相關過程進行并行、一體化設計的一種系統技術。它組織多學科的產品開發小組協同工作，因此各子系統設計員必須了解虛擬樣機技術相關專業的知識，專業分析員也必將轉變為產品設計者。協同工作能力將成為企業技術人員最重要的素質。

可以預見，在21世紀虛擬樣機技術必將成為工程機械產品開發的主流。國內各企業應加強對它的應用研究，使產品更具市場競爭力，迎接全球經濟一體化的挑戰。

[1]熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機技術[J].系統仿真學報，2001，1（1）:22-23.

[2]李伯虎，柴旭東.復雜產品虛擬樣機工程[J].計算機集成制造系統—CIMS，2002，8（9）:88-89.

[3]李伯虎，柴旭東，朱文海等.復雜產品協同制造支撐環境技術的研究[J].計算機集成制造系統—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.