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虚拟样机技术在工程车辆中的应用初探 |
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作者：合肥工业大学 胡晓海 单承赣 |
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一、引言
虚拟样机技术是一种基于产品计算机模型的数字化设计方法，这种技术以计算机仿真和建模技术为支撑，融合了智能化设计技术、并行工程、仿真工程和网络技术等多种先进的制造技术，其最终目标是实现在产品加工前对产品的性能、可制造性等进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品的最优化。与传统的开发物理样机的设计方法相比，利用虚拟样机技术开发虚拟产品具有很大的优越性。虚拟样机可以代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可以缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量。作为国家大型企业，安徽叉车集团公司在这方面做了一些有益的初探，本文以安徽叉车集团的叉车生产制造为背景，阐述了工程车辆虚拟样机设计的框架结构、工作流程和实现该系统的相关技术。
二、工程车辆虚拟样机技术的基本内涵
新型工程车辆的开发要受到安全性、可靠性、舒适性、美观性、可制造性及可维护性等多方面的制约。在虚拟设计环境下，利用可视化的优势，把技术设计、部件装配、结构分析和性能优化融合在计算机虚拟现实环境中进行，综合考虑车辆的外观总体布局及一些诸如运动约束和可接近性等特征，对产品几何尺寸、技术性能、生产和制造等方面进行交互式的快速建模与分析，生成的模型可被直接操纵与修改，数据可被反复利用。
三、工程车辆虚拟样机工程的体系结构
叉车是典型的机、电、液一体化的工程车辆，其虚拟样机工程系统的体系结构如图1所示：由协同设计支撑平台，产品模型、虚拟样机(VP)引擎和虚拟现实（VR）可视化环境四部分组成。其中协同设计支撑平台提供了一个协同设计环境，包括集成平台/框架、项目管理等工具。产品模型包括叉车系统产品主模型、机械子系统模型、电子子系统模型、液压子系统模型、控制子系统模型和软件子系统模型。产品主模型负责产品在系统级层次上的设计与样机的外观、功能和性能的建模，如样机的动力学、运动学建模仿真。VP引擎包括各领域CAx/DFx工具集，对样机外观、功能、性能及环境进行模拟仿真，并将生成的数据送入VR可视化环境，从外观、功能及在虚拟样机环境中的各种行为上展示虚拟样机。
图1 叉车虚拟样机的体系结构
四、工程车辆虚拟样机的开发流程
虚拟样机的开发流程如图2所示，从产品需求分析到评估测试，通过使用相关产品开发工具，在虚拟环境中，构造产品的虚拟样机。这是一个循环渐进的过程，基于产品的开发要求，采用相应的仿真分析工具对虚拟样机的功能和性能进行仿真分析，对虚拟样机的行为进行模拟分析，并基于仿真分析的结果，通过产品全生命周期的反复建模/仿真分析与模型的改进，开发出满足产品预期设计目标的虚拟样机。
图2 虚拟设计的一般流程
五、工程车辆虚拟样机的关键技术
1．虚拟样机工程的总体技术
虚拟样机制造技术发展十分迅速，目前虽然还难以实现可支持产品设计全过程的数字化产品的开发系统，但虚拟样机工程作为一个庞大的系统工程，总体上还是有一些共性的。虚拟样机工程总体技术从必然全局出发，解决涉及到系统全局的问题，考虑构成虚拟样机工程各部分之间的关系，规定和协调各部分系统的运行，并将他们组成为一个有机的整体，实现信息和资源的共享，进而实现总体目标。虚拟样机的设计主要有以下几个组成部分：初步设计方案的确定、概念设计、详细设计、仿真分析和结构优化设计等。各个部分由不同的设计人员进行并行设计，而各部分的功能活动存在大量的相互依赖的关系，为保证产品开发队伍的协同工作，实现在分布环境中群体活动的信息交换与共享，必须对设计过程进行动态调整和监控，构造合适的并行设计的工作环境，保证并行设计的顺利进行，这是虚拟样机缩短开发周期的关键。工程车辆虚拟样机(以叉车为例)的总体结构如图3所示。
图3 虚拟设计的总体结构
2．虚拟环境下的车辆概念设计和方案评价
在虚拟样机环境中进行车辆的概念设计和方案评价是实现虚拟样机的前期工作。在计算机虚拟现实环境提供的良好的虚拟现实漫游特性和实时交互性的条件下，相关人员可以对虚拟系统建立的模型，包括视觉效果，进行评价与修改。在这个阶段，可以模拟车辆的装配过程，解决各部件之间的可接近性和可装配性，通过对零部件的直接装配操作，检验零件的可操作性、装配的难易程度及装配的次序；可以在不耗费实际加工时间和原材料的基础上，进行虚拟测试。通过虚拟样机的设计、加工和组装、可以对产品多种方案进行快速的成本核算并制定合理的生产管理方案。
3．虚拟样机技术的并行工程
虚拟样机技术支持并性设计，使各环节的工作同时进行，极大地缩短了产品研制周期，加快了产品设计步伐，避免了无谓的失误与风险，可以有效地降低生产成本。工程师可以把新材料、新结构、新工艺结合起来尝试着进行虚拟样机设计，以增强车辆设计的灵活性，提高车辆的质量。并行工程的核心是并行一体化设计，强调产品设计及其相关的过程同时交叉进行，即在设计阶段就要考虑制造、装配等后期阶段所涉及的环节。企业实行并行运行机制，要求设计、制造等各个过程的多项任务交叉进行，减少设计的反复，并行工程的协同效应使得各部门协调工作，能够对众多的方案进行及时准确的评价，以达到最优方案。工程车辆虚拟设计并行流程如图4所示。
图4 虚拟设计的并行设
4．虚拟样机工程的优化设计
设计的最终目的是要获得一个满足各种要求的最优方案，这就是工程优化问题。实践证明优化设计是保证产品具有优良性能，减轻结构自重或体积，并能降低成本的一种行之有效的设计方法。
5．虚拟样机工程的集成仿真与数据协调
系统集成与仿真是企业实现虚拟制造的一个难点，也是企业不能加快实现虚拟制造的一个重要因素。系统集成与仿真需要诸多的技术支持，需要从全局出发考虑各子系统之间的关系，研究各子系统之间接口的关系，是多领域的仿真软件协同的过程，然而一般企业难以购置齐全用于系统仿真分析的软件系统。
安徽叉车集团公司也遇到了类似的难题，尽管如此，该公司还是在现有条件的基础上做了一些有益的尝试。实现这一环节的关键就是子系统之间的数据协调与数据集成，如果做到了这一点，便能有所作为。下面以该公司现在使用的三维设计软件SolidWorks和自行研发的参数设计软件相结合为例来介绍不同系统中的接口实现和数据集成通信。我们使用参数设计软件，是为了获得准确的叉车零部件参数，参数设计软件与三维设计软件SolidWorks相结合的目的是希望将参数设计软件计算出的参数在三维设计中体现出来，从而能够进行性能分析与改进。这就需要参数设计软件与三维设计软件之间能够实现数据通讯，虽然参数设计软件与三维设计软件SolidWorks之间没有可直接实现通信的接口，但它们与Microsoft Excel软件实现了接口。我们以Microsoft Excel软件的表单作为数据存储的媒介，并以Microsoft Excel软件作为桥梁来实现数据共享。具体做法是参数设计软件计算出某一零部件的参数，自动存入Microsoft Excel软件的表单，再将此表单直接嵌入SolidWorks。将表单中的数据对应于实体模型中需要变化的尺寸，通过表单中数据的变化来自动改变实体模型（如图5所示），这样就实现了不同数据模块之间的通信。
图5 系统之间数据通信示意图
六、结束语
本文介绍了虚拟制造技术在工程车辆中应用的若干框架，虚拟样机是一种基于产品过程开发的新兴技术，它是融合智能化设计技术、并行工程、仿真工程和网络技术等多种的先进制造技术的综合性技术，它贯穿于产品的设计、研制、生产、评估的全生命周期中。虚拟样机的导入不仅可以快速提升企业的竞争能力，还可以刺激技术的发展。虚拟技术的出现为传统工业的进步提供了一个契机，但也是一个漫长探索的过程，实现全面的虚拟制造，还有很多工作要做。
(end)
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(12/5/2004) |
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