机械系统动态仿真技术

摘 要：计算机仿真技术利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。计算机仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。

关键词：计算机仿真技术；机械系统；动态

一、机械系统动态仿真技术简介

机械系统动态仿真技术，也叫虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technolo2gy，简称 VPT）。它是一种全新的机械设计方法，作为一项计算机辅助工程（CAE）技术于上个世纪 80 年代随着计算机技术的发展而出现，在 90 年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机。机械系统动态仿真技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。

二、虚拟样机定义

虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。

三、虚拟样机技术国内应用现状

在国内，虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段，主要是引用国外的先进技术。中航第一飞机研究院成功推出了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球面计算仿真环境，并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究，取得了很好的成果。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面的应用研究、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。

四、虚拟样机技术国外应用现状

在国外，虚拟样机技术的应用在美国非常广泛。我们熟知波音777飞机是世界上首架以无纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研发周期（8年缩短为5年）大大缩短，研发成本大大降低（设计费用降低94%，设计更改降低93 %），而且确保了最终产品一次装机成功。波音西科斯基公司在设计RAH266 直升飞机时，使用了全任务仿真的方法进行设计和验证，花费4590h 的仿真测试时间，节省了11590h 的飞行测试。1997年7月4日，美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（J PL）由于采用了虚拟样机技术，成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后6轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。

约翰迪尔（John Deere）是一家具有 160 多年历史、并在世界农业机械、建筑机械领域处于领先地位的世界 500 强企业，总部设在美国伊利诺伊州。迪尔公司也是全球柴油发动机大型生产商之一。为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重载下机械的自激振动问题，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了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。

在意大利，一位赛车手在赛车中因事故丧生，其家属起诉赛车制造商，认为事故的原因是赛车的设计缺陷，要求巨额赔偿。制造商借助于虚拟样机技术，说明赛车设计合理 ，事故原因是赛车手操纵不当。法庭根据 VPT 提供的证据，做出了客观的判决。

从产品优化设计到工程咨询，虚拟样机技术的应用无处不在。

五、虚拟样机技术发展的限制因素

虽然在国内外虚拟样机技术得到了广泛的应用和发展，但是这个依赖CAD 和FEA技术支撑的设计方法的进一步发展存在着许多其自身也无法控制的限制因素。

1.在普通的工程设计软件和分析软件中，设计和分析的主要对象是零件，针对系统优化的工程设计软件和分析软件很少功能不强；

2. 目前，很多工程设计软件和分析软件在设计和分析一个复杂产品时，随着零部件数量的增多，会产生数据爆炸，使分析软件运算时间过长，甚至无法运算出结果；

3. 应用虚拟样机需要一个大型工程数据管理软件（PDM）。但由于工程数据库管理的数据模型复杂、数据类型多样、交互性要求高，现在还没有成熟的工程数据库管理系统软件；

六、虚拟样机技术的发展

虚拟样机从其发展的历程来看，大致分为2个阶段。第1阶段是分析型虚拟样机（Analytical Vir2t ual Prototyping），这类虚拟样机主要依赖键盘、鼠标、显示器等常规计算机输入输出设备，进行分析和仿真。这类虚拟样机给设计者提供如动力学分析曲线、FEA 分析数据等非感性信息和3D模型等半感性信息。目前比较成熟的软件是MSC.Sof tware公司的ADAMS和CADSI公司的DADS。但是分析型虚拟样机侧重于零部件的分析，对整体结构的分析能力不足。虚拟样机发展的第 2 阶段是沉浸型虚拟样机（Immersive Virtual Prototyping），这类虚拟样机依赖于计算机硬件技术的发展，利用实时渲染及模拟操纵等人机交互技术，并配备数据手套、头盔等设备，使得设计者能够身临其境地感受到产品的真实存在，在虚拟环境下对产品进行分析和处理。虚拟现实技术的发展为虚拟样机技术提供了这种新的人机交互方式。数据手套、数据头盔等的出现给虚拟样机技术的发展带来了机遇。在虚拟现实的条件下，对虚拟样机技术设计的产品进行测试和评估将是今后虚拟样机技术的主要发展方向。

目前，虚拟样机技术已成为一项相对成熟的产业技术，它改变了传统的设计思想，将分散的零部件技术（如 CAX技术）和分析技术（如FEA 技术）集成在一起，提供了一个全新的研发模式。

随着贸易全球化的进程不断加快，产品结构日益多样化和个性化，低周期、 低成本、高质量以及灵活的市场反应能力成为了竞争的重点。在企业竞争日益激烈的条件下，产品的生产周期和性能以及生产成本同等重要。利用虚拟样机技术用最短的时间、最少的成本、最好的质量推出产品，必将受到企业和用户的欢迎。