論機械系統虛擬樣機技術的研究與開發

潘平盛

眾所周知，機械系統虛擬樣機技術是設計樣機和解決復雜機械動力難題的高效技術手段，其不僅可降低機械制造者對物理樣機的過分依賴，而且可有效壓縮機械產品的設計時長，進而在保證產品質量的同時，大大節約設計成本。

1 機械系統虛擬樣機技術的概況

機械系統虛擬樣機技術主要涉及了三大科技領域，分別是計算機仿真技術、CAX技術（包括CAD技術、CAE技術以及CAM技術）和以虛擬現實為核心的人機交互技術，其研發層次如圖1所示。多體系統動力學融合了分析學、計算機工程學以及古典剛體力學等相關理論知識，其主要目標是構建對象機械系統的數字模型，探究高效的數據分析與處理方法，找出運動學的內在規律，進而有效處理數據，最終借助圖表等形式展現出來[1]。由于用來表述系統受力與相應運動之間內在關聯的微分方程，不僅數量繁多，而且包含了諸多非線性項，因此，相關人員必須建立起與計算機系統相適應的動力學方程。當前，機械系統虛擬樣機技術已得到了較為廣泛的應用，例如，波音777大型客機的設計與裝配環節就應用了虛擬樣機技術，不僅縮短了93%的研發時間，更節約了94%的研發成本，此外，部分汽車生產廠商也利用其分析汽車性能，如Ford Broncoll II的整車操縱性仿真分析就應用了虛擬樣機技術，當速度為72km/h時，在0.4s內導入階躍激勵，最紅模擬得出的橫擺角速度和側邊加速度與實驗結果一致。

圖1 虛擬樣機技術研發層次

2 機械系統虛擬樣機技術的開發與研究

2.1 研究現狀

近些年來，隨著我國經濟的高速發展以及科學技術的不斷進步，機械系統虛擬樣機技術在我國已實現了長足的發展并得到了較為廣泛的應用。但就目前來看，我國機械系統虛擬樣機技術仍存在諸多問題，例如，虛擬樣機技術所提供的模型建構方式較為有限，使得建構一個精準系統的數字模型仍存在一定難度。下面，筆者將具體分析我國機械系統虛擬樣機技術的研究現狀。

第一，研究范圍狹窄。這一問題表現為研究人員對虛擬樣機技術的研究仍局限于多體系統動力學層面，而且對這一技術的研究停滯于實驗室階段，難以將其應用于實踐。對于由少數剛體構成的簡單體系而言，可任意采取一種方法，研究人員甚至可利用手工推導方式實現動力學的精準分析，而對于由許多剛體構成的復雜體系來說，若不依靠計算機技術，研究人員難以完成仿真分析。從這一角度出發，若相關研究人員無法掌握計算機仿真軟件系統的操作手段，那么就難以切實解決生活中的實際問題。而當前，國內研究人員在研究虛擬樣機技術的過程中往往忽略了這一問題，這是未來重要的研究方向。

第二，研究深度不足。1966年，羅伯森等研究者創造性地實現了多剛體系統動力學與圖論學的有機融合，大大拓展了這一領域的研究廣度。其后，國外部分專家學者對圖論法在多剛體系統動力學層面的應用方式進行了進一步研究，取得了一定的理論突破，例如，休斯頓等研究者就提出了低序體陣列這一全新概念，并以此為基礎研發了一套具有自身特色的多體系統動力學的模型構建方法，即有限段模型構建法[2]。相較于國外的研究成果，我國專家學者對該領域的研究力度不足。隨著面對對象技術的高速發展以及實際應用，當前國外學者已經開始著手研究如何實現面對對象技術與機械系統虛擬樣機技術的有機結合。總體來說，國外在機械系統虛擬樣機技術領域的研究已取得較多成果，但國內在這一領域的研究成果卻極少。由于機械系統虛擬樣機技術在應用過程中會出現大量的信息數據，因而如何有效儲存數據，以保證數據的完整性、準確性和一致性，進而滿足機械系統結構構成的實際需求，如何實現對數據信息的查詢、修改、增刪改等操作以及如何保證數據符合面對對象技術的應用要求都是當前的研究熱點，但國內研究人員卻極少涉及上述研究領域。

第三，認知水平較低。虛擬樣機技術的應用前提就是完善的軟件系統，只有實現商品化軟件的實際應用，才能真正意義上發揮其經濟效益和社會效應。但從當前情形來看，我國研究人員普遍對滿足機械系統虛擬樣機技術應用需求的軟件系統認知水平較低，截止到今日尚未研發出商品化軟件，而國外則早已研發出，且所開發的軟件均具有直觀明了的操作界面，具備便捷友好的應用優勢。總體來說，國內在軟件系統研發方面的工作遠遠不足，而這也是軟件局限于實驗室，普通人員難以正常應用的根本原因。

2.2 開發方向

第一，實現面對對象技術與機械系統虛擬樣機技術的有機結合。面對對象技術是近幾年熱門的技術手段，其技術原理是建立在面對對象的計算機語言的基礎之上，但當前已超出了計算機和軟件研發領域。由于面對對象技術的邏輯方式類似于人類的思維方式，符合人類的思考習慣，因而特別適用于解決復雜問題，其在計算機軟件研發領域顯現出了極大的優越性，已成為應對軟件危機的核心技術。而機械系統虛擬樣機技術能否發揮實際應用效果，首要前提就是是否擁有一套實用性強的軟件系統，這一軟件系統的研發十分復雜，而這恰恰是面對對象技術存在的意義。實現面對對象技術與機械系統虛擬樣機技術的有機結合，可有效降低軟件系統的研發難度，并大大提升軟件運行的穩定性。

第二，實現圖論法與機械系統虛擬樣機技術的有機結合。圖論法隸屬于數學課，具有極高的應用價值，目前已在計算機、生物、工程以及社會科學等多個學科領域得到了廣泛應用，當前，圖論法在機械系統虛擬樣機技術中的應用仍處于初步探索階段，但其具有十分光明的應用前景，可有效解決機械系統自由度的求解問題[3]。目前，最為關鍵的是有效實現機械系統的投射，以此在計算機中建構相對應的數據結構，不僅為軟件的研發打下良好基礎，而且也為實現圖論法與機械系統虛擬樣機技術的有機結合奠定堅實基礎。

第三，構建以圖形為基礎的前后處理界面，以充分展現計算機圖形人機交互界面的直觀、便捷、友好以及自然等諸多應用優勢。雖然機械系統虛擬樣機技術軟件系統囊括了力學、運動學以及數學等多個領域的專業知識，但用戶卻是只具備一般機械制造知識的設計人員或者技術人員，可以說，計算機圖形人機交互界面的便捷程度和友好程度直接決定了設計人員和技術人員對于軟件系統的接受程度。通過提升算機圖形人機交互界面的直觀性、便捷性等，為更多的非計算機專業人員提供更好的服務。

3 結語

總而言之，雖然我國對機械系統虛擬樣機技術的研究尚處于初步探索階段，但其作為機械生產領域中先進的數字化設計技術，現已得到了相對廣泛的應用。要想切實發揮機械系統虛擬樣機技術的積極作用，就必須利用先進的計算機軟件系統，以此最大限度發揮其設計功能。

[1]王榮，曹源文.機械系統虛擬樣機技術淺析[J].科技信息，2013，（18）：147-148.

[2]穆以東，尹成強，趙嶺.一種基于面向對象的機械系統虛擬樣機技術初探[J].科技創新導報，2012，（21）：42.

[3]蔡驪君.復雜機械系統剛-柔混合虛擬樣機一體化分析技術初探[D].天津：天津大學，2010.