虚拟样机技术的发展与应用

DAMS、EASY5等等。

近年来,随着计算机硬件和软件技术的不断发展以及工程应用的推动,商业化软件日趋成熟。众多的多体动力学软件都相继推出了市场,而ADAMS、DADS、EASY5仍然在市场上有上佳的表现,并且都有所发展,特别是美国ADAMS软件在国内外应用都很广泛。

4 虚拟样机技术在国内外的应用

作为一项先进设计、制造技术,虚拟样机技术在工业中广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、国防工业以及通用机械制造业等诸多领域。

在国外,虚拟样机技术的应用非常广泛,特别是成本高、系统复杂的飞机制造业对虚拟样机的需求最为迫切。1994年Boeing777在世界上首次借助虚拟样机技术成功取代大型物理模型,保证了机翼和机身的一次接合成功,缩短了数千小时的研发周期,开创了虚拟样机技术研究应用的先河。1997年美国克莱斯勒汽车公司开发了“克莱斯勒数据可视化”仿真软件平台,在对新产品“98”型汽车进行检查时,发现了1500处零部件的干涉情况,制作第一个实物模型前改进了大量的设计错误,大大地缩短了产品设计周期。

在我国,虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段,但是正在逐步引起

重视,并将得到应用和推广。许多科研人员已在航天、航空、汽车、铁路机车等行业,针对一些复杂产品开发,开展了虚拟样机技术的应用研究工作。典型例子如航天部上海航天局第805研究所,在1996年3月利用虚拟样机分析软件ADAMS,完成了外翻式对接机构虚拟样机的开发工作,利用三维动画形象地演示对接过程,预测了空间站外翻式对接机构的性能和设计合理性,实现了“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863项目“月球表面探测机器人方案研究”则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境,并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究,取得了很好的成果。

5 虚拟样机技术的未来

虚拟样机技术的目标是替代物理样机,它可以大大改善当前产品的开发过程。制造商将虚拟样机技术引入各自的产品开发中,取得了很好的经济效益;科研机构和大学也纷纷开展虚拟样机技术的应用研究。但是虚拟样机技术仍需在以下几个方面不断完善。

(1)集设计、分析和仿真工具于一体。

现在还没有一种完美的方法来完成各种工具中数据的交换,主要研究方向可能是产品数据的展示以及数据库。需要一种新的方法来完成各方面的整合,使操作变得更加便利。

(2)虚拟样机技术对产品可制造性分析和产品性能评价。 因为产品的可制造性包括可装配性、可维护性、可加工性分析,这些不是很容易界定,如何去测试这些方面,仍然是一个需要解决的问题。虚拟样机技术的使用提供了一个有希望的途径。例如,一个产品的可维护性可以通过一个一体化维护技师在虚拟的环境中来完成维护任务而被量化。然后,将不同设计方案的可维护性进行比较,得出结果。

(3)虚拟样机系统的容错性。

当前的虚拟样机技术的方法和工具与物理样机间存在误差,这种误差可能由于计算时间的延迟、图像处理时间的延迟以及用户在虚拟环境中操作的不确定性,产品数据也会在各种平台的交换中损坏。因此需要一个容错虚拟仪器系统,以确保虚拟仪器给出可靠的工程测试数据。

(4)以虚拟样机技术为基础的优化设计。

如果产品各个属性都可以通过虚拟样机被充分地描绘出来,可以获得一个量化的最优化设计。然而以虚拟样机技术为基础的优化设计展示了对传统优化设计方法的一个新的挑战。首先,基于虚拟样机技术的优化必须非常有效地来确定最合适的设计,因为在目前到可预测的未来虚拟样机技术是计算密集型技术。其次,优化设计通常包括不同学科的多重设计目标,因此它可以明确的解决各学科的优化问题。

最后,基于虚拟样机优化设计不得不考虑虚拟样机可能出现的错误,获得的优化必须足以应对固有的模型误差和计算误差。当今的以仿真为基础的优化设计和多学科优化方法可能促进基于虚拟样机优化设计。

6 结语

21世纪,产品结构日益多样化和个性化,低周期、低成本、高质量以及灵活的市场反应能力成为了竞争的重点。用虚拟样机技术可在最短的时间,以最少的成本推出质量最好的产品,因而虚拟样机技术必将得到广泛的应用及推广。虚拟样机软件发展所面临的问题,也将随着技术的日渐成熟而得以解决。

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