虚拟样机技术及其发展

2 0 0 4 年 3 月 农 业 机 械 学 报 第 35 卷 第 2 期 虚拟样机技术及其发展3 祖　旭　黄洪钟　张　旭 　　【摘要】　在详细 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 虚拟样机技术内涵的基础上, 给出了虚拟样机技术的定义。结合虚拟样机技术的典型应 用成果, 分析了虚拟样机技术的优点以及局限性。最后, 对虚拟样机技术几个亟需研究的问题进行了分析。 关键词: 虚拟样机技术　定义　特点　发展 中图分类号: T P278; T P39119 文献标识码: A V irtua l Prototyp ing and Its D evelopm en t Zu Xu　H uang Hongzhong　Zhang Xu (D a lian U n iversity of T echnology ) Abstract V irtua l p ro to typ ing (V P) is a new m odern design m ethod, w h ich has been w idely app lied in a lm o st a ll a reas. A suggested defin it ion of V P w as given after the elabo ra ted study and analysis of the m ean ing and com ponen t of V P in the p resen t w o rk. T he advan tages and lim ita t ion s of V P w ere ana lyzed based on a su rvey of som e cu rren t typ ica l successfu l V P app lica t ion s in engineering. A t last som e research trends of V P to m ake a fu ll u se of V P w as recomm ended. Key words　V irtua l p ro to typ ing, D efin it ion, Fea tu res, D evelopm en t 收稿日期: 2002 09 233 武器装备预研基金资助项目 (项目编号: 51457080101JW 0901) 祖　旭　大连理工大学机械工程学院　博士生, 116024　大连市 黄洪钟　大连理工大学机械工程学院　教授　博士生导师 张　旭　大连理工大学机械工程学院　博士生 　　引言 传统的设计模式要经过设计、样机试制、工业性 试验、改进定型和批量生产几个步骤。产品设计过程 中早期的缺陷和失误往往需要反复试验多次才能够 发现, 增加了新产品的研发周期和成本。近年来, 由 于市场竞争的激烈性, 用户需求的个性化和多样化 以及多种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 规范的约束等对现代工程产品的研制 和生产提出了更高的要求。即要求各类制造企业必 须解决其新产品的 T (上市时间)、Q (质量)、C (成 本 )、S (服务) 和 E (环境) 难题。虚拟样机技术V P (virtua l p ro to typ ing)就是在这种需求下产生的。 1　虚拟样机技术的内涵 111　虚拟样机技术的定义 近年来许多虚拟样机技术的定义在各种行业的 文献中出现[ 1～ 4 ], 他们就各自的领域给虚拟样机技 术下了定义。因而迄今为止虚拟样机并没有一个完 全一致的定义。 简单地说, 虚拟样机技术就是用来代替真实的 物理样机 (模型)的技术。在常规的产品开发过程中, 物理样机模型是用来验证设计思想, 选择设计产品, 测试产品的可制造性和展示产品的。虚拟样机要替 代物理样机, 首先至少要具备上述功能。这样看来, 虚拟样机应该可以用来测试产品的外形和行为, 并 且可以用来进行一系列的研究。另外, 物理样机可以 使人对一个产品有一种感观的 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 , 如颜色、外形、 美学特性、触觉和舒适性等。要替代物理样机的这些 特性, 人和产品的交互应该包含在虚拟样机技术里。 通过以上分析, 本文采用以下定义[ 1 ]: 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。 这个定义明确了几个问题: ①明确表示虚拟样 机是一个代替物理产品的数字模型。②明确阐述了 虚拟样机的功能是代替产品的物理模型。③表明人 和产品的交互在虚拟样机技术中是必要的。④没有 把虚拟现实技术和设计优化技术等具体的技术作为 虚拟样机技术的一个组成部分。⑤明确了虚拟样机 和虚拟样机技术的区别。 112　虚拟样机技术的组成 首先, 对产品的计算机仿真是必需的。在现阶 段, 一个三维的实体模型是一个被广泛接受用来展 示产品的主要形式, 而且通常是一种参数化的模型。 这样的模型可以准确地描述产品的拓扑信息和几何 信息, 同时也可以嵌入其他的有关信息, 如在模型中 加入制造信息。现在大部分的商业化CAD öCAM 软 件包里都有产生进刀的路径、碰撞检测以及装配模 拟等功能, 只需要对三维实体模型稍作修改即可实 现这些功能。其次, 为了使虚拟样机代替真实的物理 模型, 最实用的办法就是依据其基本需求去代替所 需的物理模型的某些功能。最理想的就是让工程师 或者用户可以看、听、闻以及触摸一个虚拟样机。但 是通常并不需要虚拟样机实现对物理样机所有方面 的替代。 更为重要的是, 所设计的产品的许多方面应该 是可以测试和评价的。查看产品模型结构的完整性 以及热分析在产品的设计中是很常见的。一个三维 的实体模型可以简化并且进行有限元分析。对于一 个经验丰富的有限元分析人员来说, 只要进行认真 合理的分析, 当今的有限元分析软件可以产生非常 准确的结果。对于运动学和动力学的分析, 使用 P roöM echan icTM 等软件可以得出令人满意的结果。 而产品的可制造性和维护性是不好评价的, 该领域 需要更多的研究。有人提议使用虚拟现实技术去模 拟虚拟产品的制造过程和维修服务过程。 概括地说, 一个虚拟样机应该至少包括以下 3 种类型的模型: 一个三维实体模型、一个人 产品 的交互模型、与产品的测试相关的可视化模型。 虚拟样机技术的系统结构如图 1 所示。从图 1 可以看出, 为了显示、分析和测试一个产品, 建立了 一系列相关的模型。用户接口作为一个核心的组成 部分, 通过它可以有效地控制模型, 还可以从它那里 得到系统的一些重要信息。对于一个具体的应用实 例来说, 由于具体的应用目的不同, 其系统结构可能 有一些区别。 2　虚拟样机技术的特点 211　虚拟样机技术的典型应用 美国波音飞机公司的波音 777 飞机是世界上首 架以无图纸方式研发及制造的飞机, 其设计、装配、 性能评价及分析均采用了虚拟样机技术, 这不但使 研发周期大大缩短 (其中制造周期缩短 50% )、研发 成本大大降低 (如减少设计更改费用 94% ) , 而且确 保了最终产品一次接装成功。通用动力公司 1997 年 建成了第一个全数字化机车虚拟样机, 并行地进行 产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可 维修性设计。日产汽车公司, 利用虚拟样机进行概念 设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。以前 Caterp illa r 公司制造一台大型设备的物理样机需要 数月时间, 并耗资数百万美元, 所以, 为了提高竞争 力, 必须大幅度削减产品的设计、制造成本。 Caterp illa r 公司采用了虚拟样机技术, 从根本上改 进了设计和试验步骤, 实现了快速虚拟试验多种设 计方案, 从而使其产品成本低, 性能却更加优越。同 样, John D eere 公司为了解决工程机械在高速行驶 时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题, 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。美国海军的 NAVA IR öA PL 项目[ 5 ] , 利用虚拟样机技术, 实现多 领域多学科的设计并行和协同, 形成了协同虚拟样 机技术 (co llabo ra t ive virtua l p ro to typ ing) , 他们研 究发现, 协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时 间缩短, 还使得产品的成本减小了至少 20%。在我 国的农业机械领域, 虚拟样机技术也有应用[ 6 ]。有人 利用虚拟样机技术来设计甘蔗收获机, 实现了产品 和产品设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的创新, 取得了良好的效果。 212　使用虚拟样机技术的优点 从以上的应用情况可以看出, 虚拟样机技术具 有下述优点: ①减少了设计费用。②可以辅助物理样 机进行设计验证和测试。③可以减少产品开发过程 中所需的时间, 使产品尽快上市。④可以在相同的时 间内“试验”更多的设计方案, 这是物理样机无法比 961　第 2 期 祖旭 等: 虚拟样机技术及其发展 拟的。⑤可以减少产品开发后期的设计更改, 进而使 得整个产品的开发周期最小化。⑥与常规的仿真相 比, 它涉及的设计领域广, 考虑也比较周全, 因而可 以提高产品的质量。⑦由于虚拟样机技术支持并行 设计, 使得设计小组之间的沟通变得便捷。 213　虚拟样机技术的局限性 如前所述, 虚拟样机技术是建立在许多技术基 础上的一种综合技术, 一些基础技术的不成熟会限 制虚拟样机技术的应用, 同时虚拟样机技术是一种 新兴技术, 现在还处在研究和发展的阶段, 本身的不 完善使得应用受到一定的限制。主要有以下几个方 面: (1) 由于现在还没有一个完全无缝的数据交换 方法, 在不同的虚拟样机设计工具和应用软件之间 数据的交换经常会带来信息的丢失。现在通常是将 各应用程序的数据转化为中间的文件格式 (如 IGES、ST EP 格式等) [ 7～ 9 ] , 但是由于一些商业的 CAD öCA EöCAM 软件对这些中间格式的支持程度 不高, 同时这些中间的文件格式本身不是很完善, 还 需要继续完善和修改。再加上用户对各软件的数据 存放方式的了解并不是很充分, 因此这些方法的效 果并不是很好。 (2)虚拟样机技术本身原理上的不够准确性[ 1 ]。 在对产品性能进行研究的时候, 如进行有限元分析 时, 会用小的平面模型去代替一个连续的三维实体 模型。建模过程中的近似会给结果带来原理上的误 差。如果用虚拟现实技术来评估一个产品, 如可维护 性, 在虚拟的环境和在真实的环境中即便是对于同 一个工程师来说, 他所花费的时间也是不一样的。这 种时间上面的差别主要是由于计算所花费的时间延 迟、图像处理的时间延迟以及虚拟环境中的不舒适 性带来的时间延迟。虚拟样机技术在这些原理上的 延迟应该在寻求设计优化的过程中进行量化, 并将 其考虑其中。 (3)产品的形状很复杂, 因此构造一个准确的、 完整的、理想化的模型是很难的[ 1 ]。例如, 在计算机 里进行装配的动态响应研究是非常复杂和有挑战性 的。在这种情况下, 如果辅助以适当数目的物理样 机, 就可以更好地理解虚拟样机, 并且还可以增加虚 拟样机的可信度。虚拟样机技术的其他方面, 如可制 造性、可维护性以及它们之间的关系现在理解得并 不是很清楚, 这些方面的模型并不令人满意。这对虚 拟样机技术发挥其优势带来了一定的限制。 3　虚拟样机技术需要研究的几个问题 虚拟样机的本来目的是代替物理样机, 但是虚 拟样机技术在改善产品开发模式上面具有很大的潜 力。尽管虚拟样机技术在现阶段有一些局限性, 但其 应用前景是好的。为了更好地开发虚拟样机技术的 潜能, 消除虚拟样机技术的局限性, 以下的技术难点 亟待解决。 (1) 各种虚拟样机设计分析仿真工具的集成化 和产品数据管理[ 1～ 3 ] 为了解决在不同的应用工具之间交换数据过程 中信息的丢失问题, 应将应用工具集成在一起, 成为 一个大型的软件包, 把数据集中存放, 也就不需要数 据之间的交换。现在一种过渡的解决办法就是另外 建立一个中央数据库, 各个工具软件通过数据接口 和中央数据库联接。现在就一个复杂的大型产品模 型数据库来说, 数据定义以及数据库中信息的查找 等产品数据管理问题依然是一个重要的课题。在商 业上面, 一方面像 P roöEngineer 及 SDRC M aster Series 之类的集成软件包会继续发展, 而且还会集 成更多的新工具; 另一方面, 它们与其他应用软件的 数据接口将会更好地支持标准的数据交换格式。同 时中性的数据交换规范也将继续发展, 内容将更丰 富、更完善。这些有利于工具的集成和发挥虚拟样机 技术的优势。 (2)使用虚拟样机技术进行可制造性、可维护性 和使用性能分析[ 10 ] 由于怎样去分析一些产品的可制造性、可维护 性以及使用性能现在并不是很清楚, 因而怎样去测 试产品的这几个方面是一个尚待解决的问题。虚拟 现实技术使解决这个问题成为可能。例如, 为了评价 一个产品的使用性能, 可以让工程师融入到一个虚 拟的环境中去使用它。这样不同的待选产品的使用 性能就有了一个很好的比较。如何使用一个产品的 三维实体模型数据去快速产生一个虚拟的环境, 怎 样有效的评价产品不同方面的特性, 测量虚拟样机 技术过程, 以及分析虚拟样机和物理样机之间的误 差, 这些都是重要的研究课题。 (3)虚拟样机技术系统的误差 虚拟样机技术所采用的一些方法, 例如有限元 分析方法, 是存在误差的。产品的数据在不同的软件 平台之间交换的时候同样会给产品数据带来错误的 信息。这样有必要对虚拟样机系统的误差进行研究, 使得虚拟样机技术的设计过程中使用的数据是准确 的, 其中任何可能的错误都应检测到, 并且进行量 化。 (4)以虚拟样机技术为基础的优化技术 如果产品的许多性能可以很好地用虚拟样机来 描述, 定量的设计优化就可能很好地实现。然而, 和 071 农　业　机　械　学　报 2 0 0 4 年　 常规的优化相比, 以虚拟样机技术为基础的设计优 化将是一个新的课题。首先, 以虚拟样机技术为基础 的设计优化在确定最优化的结果方面效率应该是很 高的, 因为虚拟样机技术本身涉及到非常多的计算。 其次, 以虚拟样机为基础的设计优化通常涉及到不 同学科的多种设计目标, 因此它可以归结为一个多 学科的多目标优化问题。第三, 以虚拟样机技术为基 础的优化应该把虚拟样机技术中可能引起的误差考 虑在内。也就是说, 获得的优化结果对于模型本身误 差和计算误差来说应该是健壮的。现在可以借用以 仿真为基础的设计优化和多学科优化方法, 推动以 虚拟样机技术为基础的设计优化的发展。 (5)以虚拟样机技术为中心的协同设计环境 并行设计目前是通过工作小组的形式来完成 的, 这种工作方式本身就会带来信息的混乱、工作的 重复以及管理上面的困难。另外, 设计优化在定量上 是不容易得到的。虚拟样机技术提供了一个定量描 述产品许多性能的方法, 这样虚拟样机技术就有可 能成为一个实现支持定量的并行设计的一个基础工 具, 可以形成协同虚拟样机技术[ 5, 10～ 15 ]。 4　结束语 本文首先分析了虚拟样机技术的功能以及与之 相关的一些技术, 在此基础上, 给出了虚拟样机技术 的定义, 详细论述了虚拟样机技术的技术内涵, 力图 澄清由于研究者和应用人员的不同解释而给人们产 生的迷惑。结合当今技术现状以及虚拟样机技术的 应用情况, 分析了虚拟样机技术的优缺点。最后提出 了几个亟需研究的问题。 参 考 文 献 1　W ang G Gary. 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