技術(shù)

  　  隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化，工程機(jī)械產(chǎn)品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，各企業(yè)必須不斷縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能，降低開發(fā)成本。在這種需求下，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，使虛擬設(shè)計(jì)逐步成為工程領(lǐng)域一種新的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段。運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)的方法，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)、分析和評估產(chǎn)品的性能，確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù)，從而降低新產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。

　　在各種成熟的三維CAD、CAE商業(yè)計(jì)算機(jī)軟件的推動下，虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype）不斷發(fā)展，使工程機(jī)械產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)逐步走向成熟。但對于虛擬樣機(jī)技術(shù)這種新觀念、新技術(shù)，目前尚無統(tǒng)一的定義與體系結(jié)構(gòu)，因此許多國內(nèi)企業(yè)面對市場上眾多的CAD、CAE商業(yè)軟件，卻不能充分應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)。本文從虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念出發(fā)，基于并行設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建了適合工程機(jī)械的虛擬樣機(jī)研究平臺。

    1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，它是在制造第一臺物理樣機(jī)之前，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、多體動力學(xué)、有限元分析和控制理論為核心，運(yùn)用成熟的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，將產(chǎn)品各零部件的設(shè)計(jì)和分析集成在一起，建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型，從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化提供基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究平臺。因此虛擬樣機(jī)亦被稱為數(shù)字化功能樣機(jī)。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。一方面與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真一般是針對單個(gè)子系統(tǒng)的仿真，而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是強(qiáng)調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬整機(jī)與虛擬環(huán)境的耦合，對產(chǎn)品多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測試、評估，并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直到獲得最優(yōu)的整機(jī)性能。另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是一個(gè)串行的過程，各子系統(tǒng)（如：整機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）的設(shè)計(jì)都是獨(dú)立的，忽略了各子系統(tǒng)之間的動態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設(shè)計(jì)的不足往往到產(chǎn)品開發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)在內(nèi)的多體動力學(xué)虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把系統(tǒng)的測試分析作為整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的驅(qū)動。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車制造、工程機(jī)械、鐵道、造船、軍事裝備、機(jī)械電子，以及娛樂設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域有許多成功應(yīng)用：空間系統(tǒng)的捕捉與對接，飛船與空間飛行器發(fā)射、對接、著陸過程仿真，太陽帆板展開機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，飛機(jī)起落架工作過程等。在軍用裝備方面有目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，武器裝填與發(fā)射系統(tǒng)仿真，履帶式和輪式車輛動力學(xué)仿真，重型坦克跨越障礙能力，坦克行駛穩(wěn)定性優(yōu)化與炮塔控制等。通用機(jī)械方面，虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)器人、紡織機(jī)械、工業(yè)機(jī)床、包裝機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域可應(yīng)用的方面有：履帶式和輪式車輛穩(wěn)定性、操作性能研究，液壓系統(tǒng)、牽引設(shè)備性能預(yù)測，推土機(jī)、挖掘機(jī)、林業(yè)機(jī)械等動態(tài)性能研究，零部件和發(fā)動機(jī)載荷預(yù)測與尺寸確定，駕駛員視野研究，預(yù)測挖掘機(jī)所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。圖1為液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)，圖2為履帶虛擬樣機(jī)正在進(jìn)行性能測試。

   2 基于并行設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)研究平臺

　　工程機(jī)械產(chǎn)品傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程如圖3所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程難以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有方案中存在的不足，產(chǎn)品有潛在的質(zhì)量問題；物理樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造和測試周期長，消耗大，方案不易改動；難以找到最優(yōu)方案，造成產(chǎn)品材料的浪費(fèi)；難以預(yù)測產(chǎn)品壽命，產(chǎn)品可靠性不高。

　　針對產(chǎn)品傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的弊端，根據(jù)并行設(shè)計(jì)思想，利用現(xiàn)有虛擬樣機(jī)技術(shù)的構(gòu)成技術(shù)和產(chǎn)品，可構(gòu)建工程機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的虛擬樣機(jī)研究平臺，如圖4所示。
 按照圖4所示的設(shè)計(jì)體系，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元分析、系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)作業(yè)過程模擬、系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性評價(jià)、系統(tǒng)故障預(yù)測及冗余設(shè)計(jì)等。該設(shè)計(jì)過程在設(shè)計(jì)初期就充分考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的相互耦合作用，并進(jìn)行產(chǎn)品作業(yè)全過程的計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測產(chǎn)品的性能、壽命及可靠性，從而縮短了開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

　　運(yùn)用目前市場上一批成熟的CAD、CAE商業(yè)軟件，可實(shí)現(xiàn)如圖4所示工程領(lǐng)域虛擬樣機(jī)研究平臺。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三維CAD設(shè)計(jì)方面有 Pro/Engineer、UG、SolidWorks、SolidEdge等。結(jié)構(gòu)分析軟件有ANSYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等。運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真軟件可采用ADAMS軟件<