虛擬樣機技術(shù)研究進展及發(fā)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(jīng)貿(mào)職業(yè)學院，河南 鄭州 450044)

虛擬樣機技術(shù)研究進展及發(fā)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(jīng)貿(mào)職業(yè)學院，河南 鄭州 450044)

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

虛擬樣機;研究進展;發(fā)展趨勢

1 產(chǎn)品虛擬設(shè)計技術(shù)簡介

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

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

2 虛擬樣機技術(shù)的形成和發(fā)展

虛擬樣機技術(shù)的形成與多體系統(tǒng)動力學的研究密切相關(guān)。復雜的系統(tǒng)，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(tǒng)。對于多體系統(tǒng)的研究，起源于古典剛體力學和分析力學，后來又產(chǎn)生了圖論以及與計算機相結(jié)合的多體系統(tǒng)動力學。

虛擬樣機技術(shù)的成熟和市場化，還得益于計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的不斷發(fā)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(tǒng)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(shè)計能夠快進行速修改變，可以使設(shè)計結(jié)果在計算機中進行反復的設(shè)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(shù)的迅速發(fā)展，更為虛擬機技術(shù)的成熟和應用提供了操作平臺。

3 虛擬樣機技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，虛擬樣機技術(shù)已經(jīng)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(yè)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(fā)，目前，在虛擬現(xiàn)實、虛擬環(huán)境仿真、信息系統(tǒng)以及虛擬企業(yè)等多方面都取得突破，有些技術(shù)經(jīng)過實驗、探索和應用，已經(jīng)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(fā)的虛擬環(huán)境VEDAM應用于虛擬設(shè)計、虛擬制造、虛擬裝配等方面已經(jīng)有了一定的規(guī)模。美國政府和企業(yè)對虛擬企業(yè)也十分關(guān)注，這方面的研究也非常活躍，在研究敏捷制造技術(shù)方面走在了世界前列。當然，因為制造行業(yè)是一項復雜而又完整的體系，虛擬制造技術(shù)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(shù)開展了一系列的研究，在產(chǎn)品的建模、仿真、虛擬車間等工程領(lǐng)域取得了很多進展。日本的虛擬制造系統(tǒng)也主要關(guān)注產(chǎn)品的建模和仿真，并且在虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境方面開展了多方面的研究。

在我國，虛擬樣機技術(shù)起步相對較晚，由于在CAD/CAE/CAM、建模、仿真等軟件和技術(shù)的限制和制約，在上個世紀的很長一段時間內(nèi)，我國都處于對國外虛擬技術(shù)進行消化和本土化的結(jié)合階段。在經(jīng)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(shù)的基礎(chǔ)上，對虛擬技術(shù)進行了研究。在本世紀，我國的虛擬技術(shù)發(fā)展較快，出現(xiàn)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(shè)計與制造和分散網(wǎng)絡(luò)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(fā)了虛擬設(shè)計環(huán)境軟件，在此基礎(chǔ)上進行了虛擬現(xiàn)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(shù)、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(gòu)在遠程智能協(xié)同設(shè)計、建模技術(shù)、虛擬仿真、應用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)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(yè)、工程機械、汽車制造、國防等各種領(lǐng)域有了廣泛的應用［3］。一些世界著名企業(yè)已經(jīng)應用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)出了成熟的產(chǎn)品，如波音飛機公司的777型飛機就是應用虛擬技術(shù)進行設(shè)計和開發(fā)的典型實例，從設(shè)計、裝配、測試等不同的環(huán)節(jié)，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(shè)計周期，降低了設(shè)計成本和技術(shù)風險，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 虛擬樣機技術(shù)展望

由于對虛擬樣機技術(shù)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(lǐng)域，深入研究虛擬樣機技術(shù)和開發(fā)模式，探討虛擬樣機的關(guān)鍵技術(shù)，這一現(xiàn)象必將會促進虛擬技術(shù)在理論和應用上不斷走向成熟，在提高產(chǎn)品的開發(fā)能力，增強企業(yè)的競爭力方面都會起到作用和影響。在虛擬技術(shù)的應用方面，首先是建模技術(shù)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(shù)方面，需要進一步研究和探討如何對開發(fā)虛擬樣機中的不同活動進行管理、協(xié)調(diào)、優(yōu)化，使這一技術(shù)在應用上更加簡單和易于推廣和普及。

5 結(jié)束語

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

［1］張洪國.虛擬樣機綜述［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008(05):129－130

［2］陳凱敏.機械設(shè)計中虛擬樣機技術(shù)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(shù)概述［J］.新技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)庫方面教學研究。