虛擬樣機(jī)技術(shù)在采掘機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望

馬國(guó)成 蓋東民 王功民

1.沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110143；

2.沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110143；

3.遼寧汽輪動(dòng)力葫蘆島有限公司，遼寧 葫蘆島 110143

20世紀(jì)80年代以來，伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的浪潮，全球市場(chǎng)在相互交流促進(jìn)的同時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)也愈來愈激烈；因此越來越多的企業(yè)開始積極主動(dòng)地采用更加先進(jìn)的制造技術(shù)。而虛擬樣機(jī)技術(shù)作為新興的重要設(shè)計(jì)研發(fā)手段，正在成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[1]。計(jì)算機(jī)虛擬仿真的重要作用主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

（1）能夠分析樣機(jī)在不同工況下的性能；

（2）以虛擬的環(huán)境代替真實(shí)的環(huán)境使產(chǎn)品研發(fā)更加科學(xué)高效；

（3）作為評(píng)價(jià)各種不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的有效工具，能夠進(jìn)行最優(yōu)選擇；

（4）能夠模擬各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分析系統(tǒng)的狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量和定性分析。

1 國(guó)內(nèi)采煤機(jī)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于采煤機(jī)的研發(fā)開始于20世紀(jì)50年代初期，以從蘇聯(lián)引進(jìn)鏈?zhǔn)铰?lián)合采煤機(jī)為起點(diǎn)，自行組織研發(fā)生產(chǎn)。但因其生產(chǎn)率低、可靠性差，沒能得到廣泛的使用；60年代，引進(jìn)了波蘭先進(jìn)的滾筒式采煤機(jī)，并組織科研人員研發(fā)了同類產(chǎn)品；70年代初，從德國(guó)、法國(guó)等當(dāng)時(shí)采煤機(jī)比較先進(jìn)的國(guó)家大量引進(jìn)采煤機(jī)，通過不斷的研究和學(xué)習(xí)，到80年代已經(jīng)基本掌握了液壓牽引采煤機(jī)的相關(guān)技術(shù)。至90年代中期已掌握了先進(jìn)的技術(shù)，如交流變頻電動(dòng)牽引采煤機(jī)。特別是最近幾年以MG型為代表的各類自主研發(fā)的采煤機(jī)在我國(guó)各大煤礦得到廣泛使用。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

我國(guó)傳統(tǒng)采煤機(jī)的設(shè)計(jì)方法是“由下到上”，即從部件到整體設(shè)計(jì)[2]。根據(jù)以往設(shè)計(jì)實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)人員在圖紙上設(shè)計(jì)出所需的樣機(jī)，生產(chǎn)人員再按照設(shè)計(jì)圖紙做出樣機(jī)，然后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)。如果物理樣機(jī)出現(xiàn)問題或者不能滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，就要對(duì)樣機(jī)進(jìn)行修改、實(shí)驗(yàn)直到滿足要求為止。這樣，不僅拉長(zhǎng)了產(chǎn)品從研發(fā)到投入市場(chǎng)的周期；而且大大增加了設(shè)計(jì)研發(fā)的投入。虛擬樣機(jī)制造技術(shù)將產(chǎn)品研制工作中虛擬裝配的樣機(jī)得以在計(jì)算機(jī)虛擬的工作環(huán)境下進(jìn)行虛擬仿真，廣泛應(yīng)用前沿的計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品性能，縮短開發(fā)周期[3]。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種較新的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，并在20世紀(jì)90年代初得以高速長(zhǎng)發(fā)展。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將其大量地應(yīng)用在工程機(jī)械、航空航天、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域[4，5]。當(dāng)前，虛擬樣機(jī)已經(jīng)從單學(xué)科主導(dǎo)慢慢向多學(xué)科交叉融合的方向轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)也正在向考慮全壽命周期的動(dòng)態(tài)綜合設(shè)計(jì)方向發(fā)展[6]。

該技術(shù)也是一種基于計(jì)算機(jī)仿真模型的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，在計(jì)算機(jī)營(yíng)造的虛擬仿真環(huán)境下對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)。此外虛擬仿真還可以將不同工程領(lǐng)域的模型結(jié)合在一起，在產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)階段用以替代物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化和仿真評(píng)估[7]。虛擬樣機(jī)技術(shù)在采掘機(jī)械領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使產(chǎn)品開發(fā)從傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—樣機(jī)制造—試驗(yàn)分析”模式走向了“設(shè)計(jì)—數(shù)字仿真—產(chǎn)品樣機(jī)”的新模式。這對(duì)于促進(jìn)產(chǎn)品的改進(jìn)創(chuàng)新，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，具有重要意義[8]。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)研究概況

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究主要建立在校企合作基礎(chǔ)之上，大致可以分為三個(gè)階段。

首先，以美國(guó)Iowa大學(xué)與Caterpillar公司合作為例:共同開發(fā)了裝載機(jī)專用仿真軟件IDS (Iowa Driving Simulator）。至開發(fā)經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：

（1）在綜合考慮輪胎和液壓系統(tǒng)的前提下，建立了裝載機(jī)虛擬模型，模擬了裝載機(jī)工作過程，檢測(cè)了各項(xiàng)性能。

（2）研究開發(fā)了用戶界面，建立了礦山生產(chǎn)條件下的裝載機(jī)虛擬仿真環(huán)境。研究人員可以在用戶界面中修改裝載機(jī)模型的參數(shù)，包括傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)和輪胎參數(shù)等。修改所需要研究的參數(shù)后，裝載機(jī)能夠在虛擬環(huán)境中按照修改后的參數(shù)重新裝配仿真，精確性較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

（3）由于裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，因此仿真模型中連接了液壓與傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的仿真精度得到了進(jìn)一步提高。在研究中，成功地解決了機(jī)械與液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題，從而大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能[9]。

其次，以沃爾沃公司與Linkoping、Royal Institute of Technology等公司的合作為例。合作制訂了VISP研究項(xiàng)目，用以解決復(fù)雜工程車輛多學(xué)科仿真問題。VISP以裝載機(jī)為研究對(duì)象，為研發(fā)人員提供合適的方法，開發(fā)友好的動(dòng)力學(xué)分析研究軟件平臺(tái)，用以進(jìn)行復(fù)雜工程車輛的建模和仿真。

5 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

現(xiàn)在研發(fā)已從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法:設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)—改進(jìn)的漫長(zhǎng)過程中解脫出來，用虛擬樣機(jī)替代物理樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真測(cè)試，進(jìn)行產(chǎn)品模擬試驗(yàn)。虛擬樣機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法相比具有如下特點(diǎn)。

（1）直觀性:能夠生動(dòng)形象地表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。

（2）虛擬性:用虛擬的樣機(jī)在虛擬的工作環(huán)境下進(jìn)行虛擬模擬仿真。

（3）實(shí)時(shí)性:可以根據(jù)仿真結(jié)果在虛擬環(huán)境下對(duì)樣機(jī)修改再仿真。

（4）綜合性：支持不同學(xué)科領(lǐng)域間的虛擬化協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真。

6 虛擬樣機(jī)技術(shù)發(fā)展展望

從虛擬樣機(jī)發(fā)展的歷程來看，大致可以分為兩個(gè)階段。

第一類主要是依賴鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等常規(guī)計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備進(jìn)行分析和模擬仿真的分析型虛擬樣機(jī)(Analytical Virtual Prototyping)。這類虛擬樣機(jī)可以為研發(fā)者提供建模、加載以及仿真平臺(tái)。其中MSC. Software公司的ADAMS和CADSI公司的DADS較成熟。

第二類是以計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，利用人機(jī)交互技術(shù)，并配備數(shù)據(jù)手套、頭盔等設(shè)備，使得設(shè)計(jì)者能夠身臨其境地感受虛擬工作環(huán)境。數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔等的出現(xiàn)給虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶來了機(jī)遇。在虛擬現(xiàn)實(shí)的條件下，對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估將是今后虛擬樣機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向，簡(jiǎn)言之，就是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的虛擬樣機(jī)技術(shù)。