【远见】虚拟样机技术的发展及应用

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引   言

随着经济全球化的发展，产品的市场竞争日趋激烈，客户对产品多样化和个性化的要求愈加迫切。

市场竞争的核心是产品创新，产品创新主要体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机设计流程在产品研发中已经越来越无法满足多变的、持续发展的市场需求，要想在市场竞争中获胜，缩短产品开发周期、快速响应市场，降低产品的生命周期成本，提高产品质量成为企业追求的目标。在持续性发展战略下，为提高核心竞争力，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）”、“E（环境）”、“F（柔性）”等难题。虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology，简称VPT）正是在这种市场背景下产生的。

本文研究了虚拟样机技术的内涵及其对制造业的影响、虚拟样机的关键技术及其工业应用。

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虚拟样机技术的内涵

虚拟样机技术是1990年代随着计算机技术的发展而兴起的一项计算机辅助工程技术。虚拟样机技术是一种崭新的产品设计研发方法，是一种用来代替真实的物理样机设计的基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。虚拟样机技术涉及机械、电子、计算机图形学、协同仿真技术、系统建模技术、虚拟现实技术等多个领域、多项技术，其本质是以计算机支持的仿真技术和生命周期建模技术为前提，以多体系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助计算机图形技术、交互式用户界面技术、并行工程技术、信息技术和集成技术等，从外观、功能和空间关系上模拟真实产品，模拟在真实环境下系统的运动学和动力学特性并根据仿真结构优化系统，为物理样机的设计和制造提供参数依据。

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虚拟样机技术对制造业的影响

虚拟样机技术较之传统的物理样机技术是一种先进的制造技术，改变了传统的设计理念，对制造业正产生着广泛深远的影响。

图1和图2分别给出了传统的物理样机设计流程和虚拟样机技术设计流程。

由图1知，在传统的物理样机设计中，首先要进行用户需求和市场分析，制定产品计划，编制设计任务书。然后提出原理性的设计方案，绘制原理图或机构运动简图。在技术设计阶段，绘制总体设计草图、零部件图和总装图。设计完成后，制造物理样机并进行运行试验，有时试验是破坏性的，如压力容器的水压试验。当通过试验发现缺陷时，需要修改设计并再制样机验证，直至达到设计要求。

最后，完成详细设计，投入批量生产。由图2知，在虚拟样机技术设计中，在制造第一台物理样机之前，先建立虚拟样机模型，并在虚拟环境下进行系统仿真测试、分析和评估。以并行设计取代串行设计，即进行面向产品全生命周期的一体化设计，在设计阶段就从整体上并行地考虑产品全生命周期的功能结构、工艺规划、可制造性、可装配性、可测试性、可维修性以及可靠性等各方面的要求及相互关系，并不断优化设计方案，避免了串行设计中可能出现的干涉和反复，因为传统的串行设计不考虑各个子系统之间的动态交互与协同关系。

传统的物理样机设计由于要考虑研制成本、周期等因素，只能进行有限范围、有限次数的试验，而虚拟样机技术则可实现对虚拟样机无数次的仿真测试，便于及时发现产品在设计、制造和使用中的各种缺陷并采取措施修正之。用虚拟样机技术取代传统的物理样机设计有利于降低生产成本，提高设计质量，缩短研发周期，快速响应市场，有利于节约型社会的建设。

虚拟样机技术是实现动态企业联盟的重要技术。联盟企业为达共同目标形成一种战略合作伙伴关系，组成基于Internet的虚拟企业。由于虚拟样机是一种数字化模型，便于企业联盟实现基于Internet/Intranet网络协同设计与制造、信息集成与共享，共同开发新的技术、产品和市场，协同工作、风险共担、资源优势互补和利益共享，并使得动态企业联盟具有高度的并行性。

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虚拟样机技术的关键技术

虚拟样机技术是一项复杂的系统工程，它涉及到许多关键技术及研究领域，如系统总体技术、建模技术、协同仿真技术、虚拟样机的支撑环境等。

4.1 系统总体技术

虚拟样机系统总体技术要从整体出发，规定和协调构成虚拟样机各子系统的运行和相互之间的关系，实现信息和资源共享，实现系统总体目标。系统总体技术涉及规范化的体系结构、系统采用的标准与协议、网络技术、数据库技术、系统集成技术以及系统运行模式等。其中，系统集成技术的核心是工程设计技术、建模/仿真技术和虚拟现实/可视化技术这3类技术的集成与优化。

4.2  建模技术

建模是虚拟样机技术中重要的一个环节。虚拟样机模型是对实体的数学表示，它给出对象结构和性能的描述，并能产生相应的图形，如功能视图、结构视图和行为视图。随着仿真技术的发展，虚拟样机建模技术已经从对实体的建模，发展到对环境的建模和人体行为的建模。实体建模技术涉及工程和非工程领域的各种实体的建模技术；环境建模技术主要解决环境仿真模型（如地形、地貌、海洋、大气、空间环境等）的建立；人体行建模技术主要涉及模拟人体器官组织和人体在外界物理刺 激下的人体外表、功能、性能和行为等的建模技术。目前，主要的建模技术有几何建模、机理建模技术、面向对象建模技术、面向组件/服务的建模技术、辨识建模技术、基于知识的建模、多模式建模技术、可视化建模技术及多媒体建模技术等。随着被建模系统的日益复杂化，单一模式建模仅能描述对象的某一特征，在工程应用中，常常是多种建模技术的集成。

4.3  协同仿真技术

系统建模是系统仿真的基础。如航天器、铁路机车、汽车等系统组成复杂的虚拟样机系统通常涉及机械、电子、软件、控制等多种技术领域，其系统组成呈现出分布、交互的特点，因此，依靠单一仿真工具无法解决这一涉及多领域的复杂设计问题。

对于复杂的虚拟样机系统，可通过构建复杂系统的混合模型，对混合模型的分布/协同仿真来实现模拟仿真复杂系统之目的。协同仿真技术日益成为了解复杂产品行为、进行优化设计、提高整体性能和质量的有力工具和重要手段。协同仿真技术具有结构仿真、性能仿真、控制仿真、多体动力学仿真之功能。

复杂的虚拟样机系统的协同仿真技术包括协同建模技术、协同仿真技术和协同仿真运行管理技术3个方面。协同仿真技术主要解决由不同工具、不同算法实现的分布、异构模型之间的互操作与分布式仿真问题。基于HLA标准的分布交互仿真技术是实现虚拟样机协同仿真技术的重要技术基础。

4.4  虚拟样机的支撑环境

虚拟样机的支撑环境应具备以下特点：

（1）采用开放性的、模块化的系统体系结构，最大限度地采用目前流行的产品和标准，减少新的工具和支撑系统的开发。

（2）采用支持未来软件概念的可扩展性架构。

（3）提供支持多领域的协同建模/仿真环境和虚拟现实/可视化显示环境。

（4）集成各类已有的建模和仿真工具，实现模型和工具的即插即用，支持并行工程方法学。

（5）采用分布式数据库，实现各种数据的统一存储和管理。

（6）实现分布、异构的不同软硬件平台、不同网络及不同操作系统之间的互操作。

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虚拟样机技术的工业应用

作为一项先进制造技术，虚拟样机技术还处于不断发展阶段，虚拟样机技术在国外的汽车制造、航空航天、铁路机车、通讯、工程机械等诸多领域已经获得一些成功的应用，对产业界产生了强大的冲击作用。

美国戴姆勒-克莱斯勒（DAIMLERCHRYSLER）汽车公司开发的93LH系列汽车，采用虚拟样机技术后，开发周期由48个月缩短到39个月。

美国波音（BOEING）公司设计的VS-X虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察；波音777型客机的设计，从整机设计、部件测试到整机装配以及各环境下的试飞，均采用了虚拟样机技术，该机型的开发周期由8年缩短为5年。

美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）由于采用了虚拟样机技术，成功实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。

世界最大的工程机械和建筑设备制造商—美国卡特彼勒（CATERPILLAR）公司将虚拟样机技术用于反铲装载机优化设计、内部可视性评价。

日本Matsushita公司开发的虚拟厨房设备系统，允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，选择结果将被存储，并通过网络发送至生产部门进行生产。

国外虚拟样机技术相关软件已经实现了商业化生产，占市场份额一半以上的是美国机械动力学公司（Mechanical Dynamics Inc.）的机械系统自动动力学分析软件（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical system）。

在国内，虚拟样机技术的研究和应用还处于起步阶段，尚未开展全面系统的研究。清华大学国家CIMS工程技术研究中心和山西经纬纺机股份有限公司合作，对高速剑杆织机产品开展了虚拟样机技术的研究工作，进行了产品关键件的虚拟设计、虚拟加工，整机的虚拟装配等，大大缩短了产品开发周期。航天机电集团第二研究院、清华大学和北京航空航天大学合作开展了复杂系统虚拟样机技术的研究、应用与实践。

就总体而言，我国虚拟样机技术的研究尚停留在系统框架和总体技术方面，实质性的面向应用的关键技术的研究还有待进一步拓展，今后应着力于以下几个方面的研究：

（1）基于真实动画感的虚拟样机的装配仿真、生产制造过程及生产调度仿真、数控加工过程仿真等技术与系统。

（2）应用虚拟现实技术实现虚拟环境及虚拟制造过程中的人机协同求解。

（3）虚拟环境下分布式并行处理的智能协同求解技术与系统。

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结    语

虚拟样机技术作为一种全新的设计制造概念和一种方兴未艾的先进制造技术，有着广阔的发展和应用前景，它的研究和实践必将深刻地改变我国制造业的面貌。深入研究虚拟样机的关键技术并不断拓展其工业应用领域对于我国实现从制造大国向制造强国的转变具有重要意义。为适应快速变化的市场和顾客化的产品需求，虚拟样机技术必将在复杂产品、复杂系统的研发中发挥越来越重要的作用。

#The End #

作者：席俊杰1，2

1.郑州航空工业管理学院, 郑州 450015;  

2.中国矿业大学, 北京 100083

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