论机械系统虚拟样机技术的研究与开发

2018-03-30潘平盛

现代制造技术与装备 2018年2期

潘平盛

众所周知，机械系统虚拟样机技术是设计样机和解决复杂机械动力难题的高效技术手段，其不仅可降低机械制造者对物理样机的过分依赖，而且可有效压缩机械产品的设计时长，进而在保证产品质量的同时，大大节约设计成本。

1 机械系统虚拟样机技术的概况

机械系统虚拟样机技术主要涉及了三大科技领域，分别是计算机仿真技术、CAX技术（包括CAD技术、CAE技术以及CAM技术）和以虚拟现实为核心的人机交互技术，其研发层次如图1所示。多体系统动力学融合了分析学、计算机工程学以及古典刚体力学等相关理论知识，其主要目标是构建对象机械系统的数字模型，探究高效的数据分析与处理方法，找出运动学的内在规律，进而有效处理数据，最终借助图表等形式展现出来[1]。由于用来表述系统受力与相应运动之间内在关联的微分方程，不仅数量繁多，而且包含了诸多非线性项，因此，相关人员必须建立起与计算机系统相适应的动力学方程。当前，机械系统虚拟样机技术已得到了较为广泛的应用，例如，波音777大型客机的设计与装配环节就应用了虚拟样机技术，不仅缩短了93%的研发时间，更节约了94%的研发成本，此外，部分汽车生产厂商也利用其分析汽车性能，如Ford Broncoll II的整车操纵性仿真分析就应用了虚拟样机技术，当速度为72km/h时，在0.4s内导入阶跃激励，最红模拟得出的横摆角速度和侧边加速度与实验结果一致。

图1 虚拟样机技术研发层次

2 机械系统虚拟样机技术的开发与研究

2.1 研究现状

近些年来，随着我国经济的高速发展以及科学技术的不断进步，机械系统虚拟样机技术在我国已实现了长足的发展并得到了较为广泛的应用。但就目前来看，我国机械系统虚拟样机技术仍存在诸多问题，例如，虚拟样机技术所提供的模型建构方式较为有限，使得建构一个精准系统的数字模型仍存在一定难度。下面，笔者将具体分析我国机械系统虚拟样机技术的研究现状。

第一，研究范围狭窄。这一问题表现为研究人员对虚拟样机技术的研究仍局限于多体系统动力学层面，而且对这一技术的研究停滞于实验室阶段，难以将其应用于实践。对于由少数刚体构成的简单体系而言，可任意采取一种方法，研究人员甚至可利用手工推导方式实现动力学的精准分析，而对于由许多刚体构成的复杂体系来说，若不依靠计算机技术，研究人员难以完成仿真分析。从这一角度出发，若相关研究人员无法掌握计算机仿真软件系统的操作手段，那么就难以切实解决生活中的实际问题。而当前，国内研究人员在研究虚拟样机技术的过程中往往忽略了这一问题，这是未来重要的研究方向。

第二，研究深度不足。1966年，罗伯森等研究者创造性地实现了多刚体系统动力学与图论学的有机融合，大大拓展了这一领域的研究广度。其后，国外部分专家学者对图论法在多刚体系统动力学层面的应用方式进行了进一步研究，取得了一定的理论突破，例如，休斯顿等研究者就提出了低序体阵列这一全新概念，并以此为基础研发了一套具有自身特色的多体系统动力学的模型构建方法，即有限段模型构建法[2]。相较于国外的研究成果，我国专家学者对该领域的研究力度不足。随着面对对象技术的高速发展以及实际应用，当前国外学者已经开始着手研究如何实现面对对象技术与机械系统虚拟样机技术的有机结合。总体来说，国外在机械系统虚拟样机技术领域的研究已取得较多成果，但国内在这一领域的研究成果却极少。由于机械系统虚拟样机技术在应用过程中会出现大量的信息数据，因而如何有效储存数据，以保证数据的完整性、准确性和一致性，进而满足机械系统结构构成的实际需求，如何实现对数据信息的查询、修改、增删改等操作以及如何保证数据符合面对对象技术的应用要求都是当前的研究热点，但国内研究人员却极少涉及上述研究领域。

第三，认知水平较低。虚拟样机技术的应用前提就是完善的软件系统，只有实现商品化软件的实际应用，才能真正意义上发挥其经济效益和社会效应。但从当前情形来看，我国研究人员普遍对满足机械系统虚拟样机技术应用需求的软件系统认知水平较低，截止到今日尚未研发出商品化软件，而国外则早已研发出，且所开发的软件均具有直观明了的操作界面，具备便捷友好的应用优势。总体来说，国内在软件系统研发方面的工作远远不足，而这也是软件局限于实验室，普通人员难以正常应用的根本原因。

2.2 开发方向

第一，实现面对对象技术与机械系统虚拟样机技术的有机结合。面对对象技术是近几年热门的技术手段，其技术原理是建立在面对对象的计算机语言的基础之上，但当前已超出了计算机和软件研发领域。由于面对对象技术的逻辑方式类似于人类的思维方式，符合人类的思考习惯，因而特别适用于解决复杂问题，其在计算机软件研发领域显现出了极大的优越性，已成为应对软件危机的核心技术。而机械系统虚拟样机技术能否发挥实际应用效果，首要前提就是是否拥有一套实用性强的软件系统，这一软件系统的研发十分复杂，而这恰恰是面对对象技术存在的意义。实现面对对象技术与机械系统虚拟样机技术的有机结合，可有效降低软件系统的研发难度，并大大提升软件运行的稳定性。

第二，实现图论法与机械系统虚拟样机技术的有机结合。图论法隶属于数学课，具有极高的应用价值，目前已在计算机、生物、工程以及社会科学等多个学科领域得到了广泛应用，当前，图论法在机械系统虚拟样机技术中的应用仍处于初步探索阶段，但其具有十分光明的应用前景，可有效解决机械系统自由度的求解问题[3]。目前，最为关键的是有效实现机械系统的投射，以此在计算机中建构相对应的数据结构，不仅为软件的研发打下良好基础，而且也为实现图论法与机械系统虚拟样机技术的有机结合奠定坚实基础。

第三，构建以图形为基础的前后处理界面，以充分展现计算机图形人机交互界面的直观、便捷、友好以及自然等诸多应用优势。虽然机械系统虚拟样机技术软件系统囊括了力学、运动学以及数学等多个领域的专业知识，但用户却是只具备一般机械制造知识的设计人员或者技术人员，可以说，计算机图形人机交互界面的便捷程度和友好程度直接决定了设计人员和技术人员对于软件系统的接受程度。通过提升算机图形人机交互界面的直观性、便捷性等，为更多的非计算机专业人员提供更好的服务。