基于機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究與開發(fā)研究

李彩風(fēng)　孫振杰　張曉芳　李文濤　白帥偉

作為一門新技術(shù)，機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype Technology）是開發(fā)原型和解決復(fù)雜機(jī)械性能問題的有效技術(shù)工具，也是一種動(dòng)態(tài)仿真分析工具。其不僅可以減少制造商對物理原型的過度依賴，而且有效地減少了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，并大大降低了建筑成本。

1.產(chǎn)生背景

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)全球化的迅速發(fā)展，技術(shù)設(shè)計(jì)的理論、方法和手段發(fā)生了巨大變化。特別是在過去30年中，設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)字化程度（例如CAD和FEA技術(shù)）的加深決定了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和交付周期、質(zhì)量和成本。CAD技術(shù)是技術(shù)設(shè)計(jì)中最古老、最成功的計(jì)算機(jī)應(yīng)用示例，它的廣泛使用已從根本上改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基于經(jīng)驗(yàn)的方式，使設(shè)計(jì)師擺脫了冗長而繁瑣的手工繪制方法，生成了數(shù)字化的圖形數(shù)據(jù)。圖形的清晰、可修改等特性，不僅可以提高工程圖的繪制質(zhì)量和速度，還可以使計(jì)算機(jī)預(yù)先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最終的外形結(jié)構(gòu)。方便在設(shè)計(jì)完成之前進(jìn)行評估，更重要的是設(shè)計(jì)師可以在創(chuàng)意工作上花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，并為項(xiàng)目帶來巨大的收益。在設(shè)計(jì)過程中使用FEA技術(shù)極大地改善了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式，有助于設(shè)計(jì)人員分析機(jī)械系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、熱性能和動(dòng)態(tài)性能。這不僅促進(jìn)了CAD技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用，而且解決了迄今為止許多很難解決的技術(shù)問題。

但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，即使對機(jī)械系統(tǒng)的每個(gè)組件都進(jìn)行了優(yōu)化，也無法保證整個(gè)系統(tǒng)的性能良好，即系統(tǒng)級優(yōu)化并不是簡單地對各種系統(tǒng)組件的優(yōu)化疊加。常規(guī)的技術(shù)方法不能滿足需求，因此在這種背景下，產(chǎn)生了一種新技術(shù)，即虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是在此階段解決此問題的最有效的技術(shù)解決方案。通常，大多數(shù)公司都在使用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，也就是首先繪制各種附圖和技術(shù)圖紙，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過長時(shí)間的驗(yàn)證，選擇一種更合適的方法并嘗試物理樣機(jī)，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置以在各種操作條件下測試物理樣機(jī)。如果認(rèn)為其設(shè)計(jì)或操作特性有缺陷，則需要更改建筑圖和技術(shù)圖，并重新制造和測試物理樣機(jī)。顯而易見，這種手段大大增加了產(chǎn)品的成本和開發(fā)周期，并不能更準(zhǔn)確的選擇最合適的方案。但虛擬樣機(jī)技術(shù)可以從CAD技術(shù)中提供的相關(guān)信息分析并提取有用信息，從而獲得虛擬樣機(jī)并選擇出最優(yōu)化的方案。虛擬樣機(jī)技術(shù)作為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的樣機(jī)設(shè)計(jì)和仿真研究的有效手段，不僅可以幫助產(chǎn)品制造商擺脫對物理樣機(jī)的過度依賴，而且可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高質(zhì)量，降低成本，從而突破了“瓶頸”，促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的提高。

2.目前國內(nèi)研究存在的問題

目前國際上對虛擬樣機(jī)技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)成熟，但在國內(nèi)仍存在一些問題：

第一，對虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍比較窄，尚在實(shí)驗(yàn)室階段停留，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。國內(nèi)專家對這一方面的重視程度尚未達(dá)到所需水平，有待進(jìn)一步加強(qiáng)。第二，對虛擬樣機(jī)技術(shù)的軟件開發(fā)和商品化重要性認(rèn)識(shí)不足。從社會(huì)學(xué)角度來看，軟件商品化以后才能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，才能推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，國內(nèi)研究對這一方面的認(rèn)識(shí)尚缺，有待提升。

3機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的開發(fā)與研究分析

3.1實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠹夹g(shù)與機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合

近年來，面向?qū)ο蠹夹g(shù)已變得非常流行，它是當(dāng)前快速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。它的技術(shù)原理基于一種面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語言，但是目前已經(jīng)超出了計(jì)算機(jī)和軟件領(lǐng)域的研究和開發(fā)范圍。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的邏輯方式類似于人類的思維，并且可以適應(yīng)人類的思維習(xí)慣，因此比較適合解決復(fù)雜的問題，在計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的實(shí)力，是解決軟件危機(jī)的核心技術(shù)，人們已普遍將其看作是解決軟件系統(tǒng)危機(jī)的最有利的突破。如果機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)技術(shù)可以發(fā)揮實(shí)際效用，那么第一個(gè)要求就是擁有一套方便且實(shí)用的軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)的研究和開發(fā)非常復(fù)雜，此時(shí)，面對對象技術(shù)的存在就顯得尤為重要。機(jī)械系統(tǒng)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)與虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以有效減輕軟件系統(tǒng)研發(fā)的復(fù)雜性，大大提高軟件的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2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

圖論法是一種具有高實(shí)用價(jià)值的學(xué)科，屬于數(shù)學(xué)分支，被廣泛用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。圖論法當(dāng)前被廣泛應(yīng)用在機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)技術(shù)中，用來描述機(jī)械系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，盡管目前尚處于初步研究階段，但仍有很好的應(yīng)用前景，可以有效解決確定機(jī)械系統(tǒng)自由度的求解問題。目前最重要的是機(jī)械系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)，以便在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是研究和軟件開發(fā)的良好基礎(chǔ)，還可以為圖論法與虛擬樣機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3構(gòu)建以圖形為基礎(chǔ)的前后處理界面

盡管機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的軟件系統(tǒng)包括機(jī)械學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，且技術(shù)本身要求具備很高的專業(yè)知識(shí)水平，但用戶大多是僅在機(jī)械制造領(lǐng)域具有一般知識(shí)的開發(fā)人員或技術(shù)人員，因此計(jì)算機(jī)圖形人機(jī)交互界面的方便程度和可用性直接決定設(shè)計(jì)者和工程師對軟件系統(tǒng)的接受程度，提高了人機(jī)交互圖形界面的直觀性和便利性，為IT專業(yè)人員提供更好的服務(wù)。

3.4綜合應(yīng)用上述建模原理及算法，設(shè)計(jì)開發(fā)軟件原型系統(tǒng)

虛擬樣機(jī)技術(shù)必須依靠良好的軟件系統(tǒng)來充分發(fā)揮其工程實(shí)踐的作用，這一點(diǎn)與FEA技術(shù)非常相似。有限元法作為求解微分方程的數(shù)值方法，具有悠久的歷史，在發(fā)明數(shù)字電子計(jì)算機(jī)之前很難有所作為。市場上的FEA軟件（NASTRAN，ANSYS，ADINA，MARC等）以及在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，在工程實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。但是，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的軟件系統(tǒng)非常復(fù)雜，并且在達(dá)到理想水平之前，需要很長時(shí)間進(jìn)行許多復(fù)雜而艱巨的工作。經(jīng)過專業(yè)公司20多年的不斷開發(fā)，才達(dá)到目前的水平。當(dāng)前，我們的任務(wù)是進(jìn)行深入研究，以歸納上述研究結(jié)果中機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)和原型軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)問題的最大可能研究和動(dòng)態(tài)，并奠定虛擬樣機(jī)系統(tǒng)技術(shù)和軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

4.結(jié)語

經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，機(jī)械技術(shù)化手段也在不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的技術(shù)已不能完全滿足時(shí)代需求，因此虛擬樣機(jī)技術(shù)被研究利用，不僅可降低機(jī)械制造者對物理樣機(jī)的過分依賴，而且可有效壓縮機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)長，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。中國對機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究雖然仍處于初步階段，但在機(jī)械制造中已被作為先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)使用。同時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械系統(tǒng)中的積極作用要求使用先進(jìn)的軟件系統(tǒng)來最大化設(shè)計(jì)功能。