文档介绍：虚拟样机技术与应用
1 虚拟样机技术概述
基本概念
虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)是上世纪80年代兴起的一种现代设计方法和手段,是CAX/DFX(面向产品全生命周期的设计技术)、建模/仿真、虚拟现实等技术相互结合的产物。其基本思想是在物理样机实现之前,通过在虚拟样机上的全面仿真,对产品功能、性能、外观等进行预测、评估和优化,以达到提高产品质量、降低开发成本、缩短开发周期的目的。
图1 虚拟样机与物理样机的关系
1 虚拟样机技术概述
从国内外对虚拟样机技术的研究可以看出,虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段,在不同应用领域中存在不同定义。主要观点如下:
(1)美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为:
1)虚拟样机定义:虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型,它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。
2)虚拟样机设计:利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。
3)虚拟样机设计环境:是模型、仿真和仿真者的一个集合,它主要用于引导产品从思想到样机的设计,强调子系统的优化与组合,而不是实际的硬件系统。
1 虚拟样机技术概述
(2)国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异,下面是几种有代表性的论述:
1)虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来,形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。
2)虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发(Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程,这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起,对产品及其制造和支持过程进行优化,以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机,而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现。
1 虚拟样机技术概述
3)虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型,进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。
4)虚拟样机是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。
1 虚拟样机技术概述
5)虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。
在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室(DMSO)的定义。DMSO 将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真;而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机,对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。
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虚拟样机技术的形成和发展
虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件构成的系统,对它们进行设计优化与性态分析时可以分为两大类:
一类称为结构,它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动(如房屋建筑、桥梁、航空航天器与各种车辆的壳体以及各种零部件的本身),人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。
另一类称为机构,其特征是系统在运行过程中这些部件间存在相对运动(如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂机械系统)。
1 虚拟样机技术概述
此外,在研究宇航员的空间运动、在车辆事故中考虑乘员的运动以及运动员的动作分析时,人体也可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统,称为多体系统。
研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。现代机械系统离不开控制技术,产品设计中经常遇到达样的问题,即系统的部分构件受控,当它们按某已知规律运动时,讨论在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称为动力学正逆混合问题。
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随着国民经济的发展与国防技术的需要,机械系统的构型越来超复杂,表现为这些系统在构型上向多回路与带控制系统方向发展。此外,机械系统的大型化与高速运行的工况使机械系统的动力学性态变得越来越复杂。高速机械系统各部件的大范围运动与构件本身振动的耦合,振动非线性性态的表现等。复杂机械系统的静力学