虚拟样机技术的发展与应用

虚拟样机技术的发展与应用

摘要:对比物理样机,介绍虚拟样机技术的概念,阐述了传统设计方法的问题和基于虚拟样机技术的现代设计方法的优势。论述了虚拟样机的组成、虚拟样机技术的应用和发展趋势。

关键词:虚拟样机技术 物理样机 计算机仿真 ADMAS 虚拟样机技术是一种全新的机械设计方法,作为一项计算机辅助工程(CAE)技术于20世纪80年代随着计算机技术的发展而出现,在90年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用,使机械制造业进入到一个新的时代。

1 虚拟样机技术的基本概念

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术,它的核心部分是多体系运动学与动力学建模理论及其技术实现。

虚拟样机技术(Virtual Prototyping,VP)是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术融合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。

在传统产品设计过程中,机电产品的设计者会使用一个顺序方法,例如机械工程师首先建立一个基础的设计,然后这项设计被送往电气

工程师,最后是控制和软件工程师。在设计完成后,为了验证设计,通常要制造样机进行试验,来证明设计理念、评估设计、测试产品的可制造性、更多仅仅是为了呈现一个产品。有时这些试验甚至是破坏性的,成本昂贵。当通过试验发现缺陷时,又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计—— 试验—— 再设计的过程,产品才能达到要求的性能。这种传统设计过程中没有体现各部门的交流和协作,每个部门都是相互独立的。

为了能用电子手段替代样机,必须首先提供虚拟实体模型,并且和实体模型有同样甚至更多的功能。以此为导向,虚拟样机应该能被用来“测试”产品的造型、性能。与此同时提出了虚拟样机的概念。

近年来随着CAX/DFX技术的发展,在产品开发过程中把分析作为设计的驱动,提出Design Driven by Analysis的概念已逐步从概念走向参数化建模虚拟样机技术的研究和应用,实现了产品开发全过程的电子化,改变了传统的设计观念,产品开发过程也随之发生了变化,从设计-样机制造-试验走向了设计-仿真,把物理样机制造放在最后,量化生产,真正实现了产品设计的数字化时代。

仿真利用计算机可视化和面向对象的手段模拟机械系统的动态特性,帮助研究人员了解工作空间的形态及极限,揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法,从而解决在机械系统设计制造以及运行过程中的问题避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不要的损失。这种数字化的设计方法使机械、电器、控制和软件工程师同时参与到整

个设计环节中。

虚拟样机技术融合了先进的建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术,并将这些技术应用于复杂产品的整个生命周期。与传统的产品设计技术比较,虚拟样机技术强调系统的观点、设计产品整个生命周期、支持对产品全方位的测试、分析预评估、强调不同领域的虚拟化协同设计。

在产品的整个设计生产过程中虚拟样机代替物理样机完成了整个设计流程中样机的测试。因此,虚拟样机技术在测试过程中具备了许多细节上的优势。

(1)在相同的时间里可以“试验”多种设计方案。

(2)虚拟样机代替物理样机可进行多种危险性或破坏性试验。 (3)避免了物理样机的试制环节,降低了设计费用,缩短了产品开发周期。

(4)缩短了产品开发后期的设计更改。

产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心,在产品开发过程中主要表现为:(1)产品可制造性分析,包括可装配性、可维护性、可加工性分析等。通过在虚拟环境下观察、分析和操作产品模型及其相关的过程模型,评价产品制造方面的信息,并做出设计决策。(2)产品性能评价,包括对产品几何形状、空间布局、人机工程学性能、静态性能、

动态性能等的评价。

2 虚拟样机的组成

通常,虚拟样机应该包括如下三个主要模块。 (1)3D立体模块:具备完善的物理模型描述能力。

(2)人际交互模块:虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础,实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互。

(3)测试评估模块:产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心,主要包括产品可制造性分析和产品性能评价,例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、可加工性分析、可装配性分析、可维护性分析等等。

3 虚拟样机的软件化

1960年,美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件—— DYANA(Dynamic Analyzer),主要用于解决多自由度无约束的机械系统的动力学问题,研制者用该软件进行了车辆的“质量-弹簧-阻尼”模型分析。对机构动力学进行仿真的软件主要有NUBEMM、SYM、CAMS、AUTOLEV、DISCOS、DADS、NEWEUL、DYMAC、 ADAMS、