虛擬樣機技術研究進展及發展趨勢

宋 磊 鄭金芳

(1.鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450015;2.鄭州經貿職業學院，河南 鄭州 450044)

虛擬樣機技術研究進展及發展趨勢

宋 磊1 鄭金芳2

(1.鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450015;2.鄭州經貿職業學院，河南 鄭州 450044)

虛擬樣機技術作為一種新興的產業，不但從根本上改變了以前用物理樣機進行驗證、測試的設計理念，大大縮短產品的設計、開發周期，而且使產品的質量也能得到大幅度的提高。本文主要介紹了虛擬樣機技術對國內外的研究和進展進行概述，并對這種技術的發展趨勢和影響做了分析。

虛擬樣機;研究進展;發展趨勢

1 產品虛擬設計技術簡介

虛擬樣機技術，就是利用計算機技術，對系統的零部件進行設計、分析，基于三維建模軟件和技術得到整體模型，再對產品的各種工況仿真，在虛擬環境下逼真地模擬產品的使用及受力、磨損、失效情況，對產品的整體生能進行預測和評估，獲得最佳產品設計和性能的新技術。這一技術已經廣泛應用于制造行業，并且對社會各個領域都帶來了重大的影響［1］。

虛擬樣機技術和虛擬現實是分不開的。虛擬現實，就是把人的相像力與電子學等技術相結合，利用多媒體技術形成的特殊環境，用戶能夠利用不同的傳感系統和仿真環境進行互動，在虛擬現實中，人的體驗甚至會超過在現實世界的感受。這種技術具有比普通CAD系統更優越的人機交互性能，因為設計者可以利用觸覺、視覺、聽覺及手勢、聲音等信號和設計對象進行交互［1］.

2 虛擬樣機技術的形成和發展

虛擬樣機技術的形成與多體系統動力學的研究密切相關。復雜的系統，其力學模型一般由多個物體利用不同的運動副相連接，稱為多體系統。對于多體系統的研究，起源于古典剛體力學和分析力學，后來又產生了圖論以及與計算機相結合的多體系統動力學。

虛擬樣機技術的成熟和市場化，還得益于計算機輔助設計(CAD)技術的不斷發展、普及和應用。因為CAD軟件的三維造型功能使對于機械系統的表達問題變得簡捷和直觀，而且CAD中對三維模型的編輯和修改功能使機械設計能夠快進行速修改變，可以使設計結果在計算機中進行反復的設計、試驗，而省去了制造物理樣機的成本和時間。進入20世紀八、九年代以來，計算機技術的迅速發展，更為虛擬機技術的成熟和應用提供了操作平臺。

3 虛擬樣機技術的研究現狀

目前，虛擬樣機技術已經取得了重大的研究進展，特別是在機械加工方面獲得了廣泛的應用和突破。其中，歐美國家始終走在這一行業的前列。

美國早在上個世紀80年代，就著手進行虛擬制造方面的研究和開發，目前，在虛擬現實、虛擬環境仿真、信息系統以及虛擬企業等多方面都取得突破，有些技術經過實驗、探索和應用，已經趨于完善階段。其中，隸屬于華盛頓大學的虛擬制造實驗室開發的虛擬環境VEDAM應用于虛擬設計、虛擬制造、虛擬裝配等方面已經有了一定的規模。美國政府和企業對虛擬企業也十分關注，這方面的研究也非常活躍，在研究敏捷制造技術方面走在了世界前列。當然，因為制造行業是一項復雜而又完整的體系，虛擬制造技術還不能對各個方面進行充分的集成，還需要進行不斷的研究和探索［2］。

在歐洲，一般以大學為中心，對虛擬制造技術開展了一系列的研究，在產品的建模、仿真、虛擬車間等工程領域取得了很多進展。日本的虛擬制造系統也主要關注產品的建模和仿真，并且在虛擬工廠的構造環境方面開展了多方面的研究。

在我國，虛擬樣機技術起步相對較晚，由于在CAD/CAE/CAM、建模、仿真等軟件和技術的限制和制約，在上個世紀的很長一段時間內，我國都處于對國外虛擬技術進行消化和本土化的結合階段。在經過了理論和實踐方面的準備階段后，我國也在CAD/CAE/CAM、仿真等技術的基礎上，對虛擬技術進行了研究。在本世紀，我國的虛擬技術發展較快，出現了強勁的勢頭。比較出色的有:機械科學研究院、同濟大學和香港理工大學進行合作，對異地設計與制造和分散網絡化制造等方面研究和應用活動取得了重大的進展;清華大學開發了虛擬設計環境軟件，在此基礎上進行了虛擬現實、虛擬汽車、虛擬機床等方面的訓練;浙江大學在分布式虛擬技術、虛擬工作臺、虛擬裝配等方面有了重要突破;另外，還有高校和研究機構在遠程智能協同設計、建模技術、虛擬仿真、應用網絡技術等方面進行廣泛的研究。當然，我國的研究在理論和實踐的深度方面與國際水平還存在著較大的差距。

總體看來，虛擬樣機技術在理論和應用方面都有了重大進展，能夠初步處理較為復雜的工程問題，在航天航空業、工程機械、汽車制造、國防等各種領域有了廣泛的應用［3］。一些世界著名企業已經應用虛擬樣機技術開發出了成熟的產品，如波音飛機公司的777型飛機就是應用虛擬技術進行設計和開發的典型實例，從設計、裝配、測試等不同的環節，都利用計算機進行了模擬，使飛機得以一次試制成功，并大幅度地減少了設計周期，降低了設計成本和技術風險，提高了產品質量。

4 虛擬樣機技術展望

由于對虛擬樣機技術越來越受更加廣泛的重視，所以，越來越多的學者投入到這一領域，深入研究虛擬樣機技術和開發模式，探討虛擬樣機的關鍵技術，這一現象必將會促進虛擬技術在理論和應用上不斷走向成熟，在提高產品的開發能力，增強企業的競爭力方面都會起到作用和影響。在虛擬技術的應用方面，首先是建模技術還需要進一步的研究和完善。在這方面，需要模型的可擴展性、開放性、可重用性以及互操作性等方面的缺陷和不足。在虛擬樣機技術方面，需要進一步研究和探討如何對開發虛擬樣機中的不同活動進行管理、協調、優化，使這一技術在應用上更加簡單和易于推廣和普及。

5 結束語

虛擬樣機是多種理論和技術的綜合，其關鍵內容是對多體系統的運動學和動力學進行建模、分析和虛擬真實環境的技術。這是一項相對獨立的技術和產業，必將會對機械制造等不同的行業甚至是人們的社會生活產生深遠的影響。

［1］張洪國.虛擬樣機綜述［J］.機電產品開發與創新，2008(05):129－130

［2］陳凱敏.機械設計中虛擬樣機技術的有效應用［J］.化學工程與裝備，2011(3):113－114

［3］楊作萬，魏興春，張麗瓊.虛擬樣機技術概述［J］.新技術新工藝，2011(4):25－27

TH12

A

1003－5168(2013)07－0003－01

宋磊(1978.10—)，男，河南鄭州人，講師，本科學歷，從事計算機教學、計算機應用及網絡方面的研究。

鄭金芳(1979.6—)，女，河南鄭州人，講師、碩士學歷，主要從事計算機數據庫方面教學研究。