宋 磊 鄭金芳

(1.鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450015;2.鄭州經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450044)

虛擬樣機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

宋 磊1 鄭金芳2

(1.鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450015;2.鄭州經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450044)

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種新興的產(chǎn)業(yè)，不但從根本上改變了以前用物理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證、測(cè)試的設(shè)計(jì)理念，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)周期，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量也能得到大幅度的提高。本文主要介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究和進(jìn)展進(jìn)行概述，并對(duì)這種技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和影響做了分析。

虛擬樣機(jī);研究進(jìn)展;發(fā)展趨勢(shì)

1 產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬樣機(jī)技術(shù)，就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，基于三維建模軟件和技術(shù)得到整體模型，再對(duì)產(chǎn)品的各種工況仿真，在虛擬環(huán)境下逼真地模擬產(chǎn)品的使用及受力、磨損、失效情況，對(duì)產(chǎn)品的整體生能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，獲得最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能的新技術(shù)。這一技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)，并且對(duì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都帶來了重大的影響［1］。

虛擬樣機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)是分不開的。虛擬現(xiàn)實(shí)，就是把人的相像力與電子學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，利用多媒體技術(shù)形成的特殊環(huán)境，用戶能夠利用不同的傳感系統(tǒng)和仿真環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，人的體驗(yàn)甚至?xí)^在現(xiàn)實(shí)世界的感受。這種技術(shù)具有比普通CAD系統(tǒng)更優(yōu)越的人機(jī)交互性能，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者可以利用觸覺、視覺、聽覺及手勢(shì)、聲音等信號(hào)和設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行交互［1］.

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成和發(fā)展

虛擬樣機(jī)技術(shù)的形成與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究密切相關(guān)。復(fù)雜的系統(tǒng)，其力學(xué)模型一般由多個(gè)物體利用不同的運(yùn)動(dòng)副相連接，稱為多體系統(tǒng)。對(duì)于多體系統(tǒng)的研究，起源于古典剛體力學(xué)和分析力學(xué)，后來又產(chǎn)生了圖論以及與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)的成熟和市場(chǎng)化，還得益于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的不斷發(fā)展、普及和應(yīng)用。因?yàn)镃AD軟件的三維造型功能使對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)的表達(dá)問題變得簡(jiǎn)捷和直觀，而且CAD中對(duì)三維模型的編輯和修改功能使機(jī)械設(shè)計(jì)能夠快進(jìn)行速修改變，可以使設(shè)計(jì)結(jié)果在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行反復(fù)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，而省去了制造物理樣機(jī)的成本和時(shí)間。進(jìn)入20世紀(jì)八、九年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，更為虛擬機(jī)技術(shù)的成熟和應(yīng)用提供了操作平臺(tái)。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了重大的研究進(jìn)展，特別是在機(jī)械加工方面獲得了廣泛的應(yīng)用和突破。其中，歐美國(guó)家始終走在這一行業(yè)的前列。

美國(guó)早在上個(gè)世紀(jì)80年代，就著手進(jìn)行虛擬制造方面的研究和開發(fā)，目前，在虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬環(huán)境仿真、信息系統(tǒng)以及虛擬企業(yè)等多方面都取得突破，有些技術(shù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)、探索和應(yīng)用，已經(jīng)趨于完善階段。其中，隸屬于華盛頓大學(xué)的虛擬制造實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的虛擬環(huán)境VEDAM應(yīng)用于虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造、虛擬裝配等方面已經(jīng)有了一定的規(guī)模。美國(guó)政府和企業(yè)對(duì)虛擬企業(yè)也十分關(guān)注，這方面的研究也非?；钴S，在研究敏捷制造技術(shù)方面走在了世界前列。當(dāng)然，因?yàn)橹圃煨袠I(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜而又完整的體系，虛擬制造技術(shù)還不能對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行充分的集成，還需要進(jìn)行不斷的研究和探索［2］。

在歐洲，一般以大學(xué)為中心，對(duì)虛擬制造技術(shù)開展了一系列的研究，在產(chǎn)品的建模、仿真、虛擬車間等工程領(lǐng)域取得了很多進(jìn)展。日本的虛擬制造系統(tǒng)也主要關(guān)注產(chǎn)品的建模和仿真，并且在虛擬工廠的構(gòu)造環(huán)境方面開展了多方面的研究。

在我國(guó)，虛擬樣機(jī)技術(shù)起步相對(duì)較晚，由于在CAD/CAE/CAM、建模、仿真等軟件和技術(shù)的限制和制約，在上個(gè)世紀(jì)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)都處于對(duì)國(guó)外虛擬技術(shù)進(jìn)行消化和本土化的結(jié)合階段。在經(jīng)過了理論和實(shí)踐方面的準(zhǔn)備階段后，我國(guó)也在CAD/CAE/CAM、仿真等技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬技術(shù)進(jìn)行了研究。在本世紀(jì)，我國(guó)的虛擬技術(shù)發(fā)展較快，出現(xiàn)了強(qiáng)勁的勢(shì)頭。比較出色的有:機(jī)械科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)和香港理工大學(xué)進(jìn)行合作，對(duì)異地設(shè)計(jì)與制造和分散網(wǎng)絡(luò)化制造等方面研究和應(yīng)用活動(dòng)取得了重大的進(jìn)展;清華大學(xué)開發(fā)了虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境軟件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬汽車、虛擬機(jī)床等方面的訓(xùn)練;浙江大學(xué)在分布式虛擬技術(shù)、虛擬工作臺(tái)、虛擬裝配等方面有了重要突破;另外，還有高校和研究機(jī)構(gòu)在遠(yuǎn)程智能協(xié)同設(shè)計(jì)、建模技術(shù)、虛擬仿真、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面進(jìn)行廣泛的研究。當(dāng)然，我國(guó)的研究在理論和實(shí)踐的深度方面與國(guó)際水平還存在著較大的差距。

總體看來，虛擬樣機(jī)技術(shù)在理論和應(yīng)用方面都有了重大進(jìn)展，能夠初步處理較為復(fù)雜的工程問題，在航天航空業(yè)、工程機(jī)械、汽車制造、國(guó)防等各種領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用［3］。一些世界著名企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)開發(fā)出了成熟的產(chǎn)品，如波音飛機(jī)公司的777型飛機(jī)就是應(yīng)用虛擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的典型實(shí)例，從設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試等不同的環(huán)節(jié)，都利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了模擬，使飛機(jī)得以一次試制成功，并大幅度地減少了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)展望

由于對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)越來越受更加廣泛的重視，所以，越來越多的學(xué)者投入到這一領(lǐng)域，深入研究虛擬樣機(jī)技術(shù)和開發(fā)模式，探討虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，這一現(xiàn)象必將會(huì)促進(jìn)虛擬技術(shù)在理論和應(yīng)用上不斷走向成熟，在提高產(chǎn)品的開發(fā)能力，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力方面都會(huì)起到作用和影響。在虛擬技術(shù)的應(yīng)用方面，首先是建模技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究和完善。在這方面，需要模型的可擴(kuò)展性、開放性、可重用性以及互操作性等方面的缺陷和不足。在虛擬樣機(jī)技術(shù)方面，需要進(jìn)一步研究和探討如何對(duì)開發(fā)虛擬樣機(jī)中的不同活動(dòng)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)、優(yōu)化，使這一技術(shù)在應(yīng)用上更加簡(jiǎn)單和易于推廣和普及。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬樣機(jī)是多種理論和技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵內(nèi)容是對(duì)多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模、分析和虛擬真實(shí)環(huán)境的技術(shù)。這是一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，必將會(huì)對(duì)機(jī)械制造等不同的行業(yè)甚至是人們的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

［1］張洪國(guó).虛擬樣機(jī)綜述［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008(05):129－130

［2］陳凱敏.機(jī)械設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用［J］.化學(xué)工程與裝備，2011(3):113－114

［3］楊作萬(wàn)，魏興春，張麗瓊.虛擬樣機(jī)技術(shù)概述［J］.新技術(shù)新工藝，2011(4):25－27

TH12

A

1003－5168(2013)07－0003－01

宋磊(1978.10—)，男，河南鄭州人，講師，本科學(xué)歷，從事計(jì)算機(jī)教學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)方面的研究。

鄭金芳(1979.6—)，女，河南鄭州人，講師、碩士學(xué)歷，主要從事計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)方面教學(xué)研究。