論機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)

潘平盛

眾所周知，機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)是設(shè)計(jì)樣機(jī)和解決復(fù)雜機(jī)械動(dòng)力難題的高效技術(shù)手段，其不僅可降低機(jī)械制造者對(duì)物理樣機(jī)的過(guò)分依賴(lài)，而且可有效壓縮機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，大大節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

1 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的概況

機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)主要涉及了三大科技領(lǐng)域，分別是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、CAX技術(shù)（包括CAD技術(shù)、CAE技術(shù)以及CAM技術(shù)）和以虛擬現(xiàn)實(shí)為核心的人機(jī)交互技術(shù)，其研發(fā)層次如圖1所示。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)融合了分析學(xué)、計(jì)算機(jī)工程學(xué)以及古典剛體力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，其主要目標(biāo)是構(gòu)建對(duì)象機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型，探究高效的數(shù)據(jù)分析與處理方法，找出運(yùn)動(dòng)學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)而有效處理數(shù)據(jù)，最終借助圖表等形式展現(xiàn)出來(lái)[1]。由于用來(lái)表述系統(tǒng)受力與相應(yīng)運(yùn)動(dòng)之間內(nèi)在關(guān)聯(lián)的微分方程，不僅數(shù)量繁多，而且包含了諸多非線性項(xiàng)，因此，相關(guān)人員必須建立起與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相適應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。當(dāng)前，機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)已得到了較為廣泛的應(yīng)用，例如，波音777大型客機(jī)的設(shè)計(jì)與裝配環(huán)節(jié)就應(yīng)用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅縮短了93%的研發(fā)時(shí)間，更節(jié)約了94%的研發(fā)成本，此外，部分汽車(chē)生產(chǎn)廠商也利用其分析汽車(chē)性能，如Ford Broncoll II的整車(chē)操縱性仿真分析就應(yīng)用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，當(dāng)速度為72km/h時(shí)，在0.4s內(nèi)導(dǎo)入階躍激勵(lì)，最紅模擬得出的橫擺角速度和側(cè)邊加速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 虛擬樣機(jī)技術(shù)研發(fā)層次

2 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究

2.1 研究現(xiàn)狀

近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足的發(fā)展并得到了較為廣泛的應(yīng)用。但就目前來(lái)看，我國(guó)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)仍存在諸多問(wèn)題，例如，虛擬樣機(jī)技術(shù)所提供的模型建構(gòu)方式較為有限，使得建構(gòu)一個(gè)精準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)字模型仍存在一定難度。下面，筆者將具體分析我國(guó)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

第一，研究范圍狹窄。這一問(wèn)題表現(xiàn)為研究人員對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究仍局限于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)層面，而且對(duì)這一技術(shù)的研究停滯于實(shí)驗(yàn)室階段，難以將其應(yīng)用于實(shí)踐。對(duì)于由少數(shù)剛體構(gòu)成的簡(jiǎn)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(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)的精準(zhǔn)分析，而對(duì)于由許多剛體構(gòu)成的復(fù)雜體系來(lái)說(shuō)，若不依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究人員難以完成仿真分析。從這一角度出發(fā)，若相關(guān)研究人員無(wú)法掌握計(jì)算機(jī)仿真軟件系統(tǒng)的操作手段，那么就難以切實(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。而當(dāng)前，國(guó)內(nèi)研究人員在研究虛擬樣機(jī)技術(shù)的過(guò)程中往往忽略了這一問(wèn)題，這是未來(lái)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(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與圖論學(xué)的有機(jī)融合，大大拓展了這一領(lǐng)域的研究廣度。其后，國(guó)外部分專(zhuān)家學(xué)者對(duì)圖論法在多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)層面的應(yīng)用方式進(jìn)行了進(jìn)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(chǔ)研發(fā)了一套具有自身特色的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的模型構(gòu)建方法，即有限段模型構(gòu)建法[2]。相較于國(guó)外的研究成果，我國(guó)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的研究力度不足。隨著面對(duì)對(duì)象技術(shù)的高速發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)前國(guó)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始著手研究如何實(shí)現(xiàn)面對(duì)對(duì)象技術(shù)與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外在機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的研究已取得較多成果，但國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究成果卻極少。由于機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的信息數(shù)據(jù)，因而如何有效儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和一致性，進(jìn)而滿(mǎn)足機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的實(shí)際需求，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的查詢(xún)、修改、增刪改等操作以及如何保證數(shù)據(jù)符合面對(duì)對(duì)象技術(shù)的應(yīng)用要求都是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)研究人員卻極少涉及上述研究領(lǐng)域。

第三，認(rèn)知水平較低。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用前提就是完善的軟件系統(tǒng)，只有實(shí)現(xiàn)商品化軟件的實(shí)際應(yīng)用，才能真正意義上發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)。但從當(dāng)前情形來(lái)看，我國(guó)研究人員普遍對(duì)滿(mǎn)足機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用需求的軟件系統(tǒng)認(rèn)知水平較低，截止到今日尚未研發(fā)出商品化軟件，而國(guó)外則早已研發(fā)出，且所開(kāi)發(fā)的軟件均具有直觀明了的操作界面，具備便捷友好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在軟件系統(tǒng)研發(fā)方面的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，而這也是軟件局限于實(shí)驗(yàn)室，普通人員難以正常應(yīng)用的根本原因。

2.2 開(kāi)發(fā)方向

第一，實(shí)現(xiàn)面對(duì)對(duì)象技術(shù)與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。面對(duì)對(duì)象技術(shù)是近幾年熱門(mén)的技術(shù)手段，其技術(shù)原理是建立在面對(duì)對(duì)象的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的基礎(chǔ)之上，但當(dāng)前已超出了計(jì)算機(jī)和軟件研發(fā)領(lǐng)域。由于面對(duì)對(duì)象技術(shù)的邏輯方式類(lèi)似于人類(lèi)的思維方式，符合人類(lèi)的思考習(xí)慣，因而特別適用于解決復(fù)雜問(wèn)題，其在計(jì)算機(jī)軟件研發(fā)領(lǐng)域顯現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性，已成為應(yīng)對(duì)軟件危機(jī)的核心技術(shù)。而機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)能否發(fā)揮實(shí)際應(yīng)用效果，首要前提就是是否擁有一套實(shí)用性強(qiáng)的軟件系統(tǒng)，這一軟件系統(tǒng)的研發(fā)十分復(fù)雜，而這恰恰是面對(duì)對(duì)象技術(shù)存在的意義。實(shí)現(xiàn)面對(duì)對(duì)象技術(shù)與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可有效降低軟件系統(tǒng)的研發(fā)難度，并大大提升軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性。

第二，實(shí)現(xiàn)圖論法與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。圖論法隸屬于數(shù)學(xué)課，具有極高的應(yīng)用價(jià)值，目前已在計(jì)算機(jī)、生物、工程以及社會(huì)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，當(dāng)前，圖論法在機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用仍處于初步探索階段，但其具有十分光明的應(yīng)用前景，可有效解決機(jī)械系統(tǒng)自由度的求解問(wèn)題[3]。目前，最為關(guān)鍵的是有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的投射，以此在計(jì)算機(jī)中建構(gòu)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不僅為軟件的研發(fā)打下良好基礎(chǔ)，而且也為實(shí)現(xiàn)圖論法與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

第三，構(gòu)建以圖形為基礎(chǔ)的前后處理界面，以充分展現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形人機(jī)交互界面的直觀、便捷、友好以及自然等諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。雖然機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件系統(tǒng)囊括了力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，但用戶(hù)卻是只具備一般機(jī)械制造知識(shí)的設(shè)計(jì)人員或者技術(shù)人員，可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形人機(jī)交互界面的便捷程度和友好程度直接決定了設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員對(duì)于軟件系統(tǒng)的接受程度。通過(guò)提升算機(jī)圖形人機(jī)交互界面的直觀性、便捷性等，為更多的非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員提供更好的服務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，雖然我國(guó)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究尚處于初步探索階段，但其作為機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域中先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)已得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用。要想切實(shí)發(fā)揮機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的積極作用，就必須利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，以此最大限度發(fā)揮其設(shè)計(jì)功能。

[1]王榮，曹源文.機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)淺析[J].科技信息，2013，（18）：147-148.

[2]穆以東，尹成強(qiáng)，趙嶺.一種基于面向?qū)ο蟮臋C(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)初探[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，（21）：42.

[3]蔡驪君.復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)剛-柔混合虛擬樣機(jī)一體化分析技術(shù)初探[D].天津：天津大學(xué)，2010.