（动力机械及工程专业论文）面向内燃机子系统仿真分析的虚拟设计方法研究.pdf

摘要 本文站在现代设计方法论的高度，从设计自身的发展历史入题，全面地介绍 和分析了虚拟设计在工程设计中的应用状况及发展前景。全文以“建模一运动学 分析，优化设计一动力学分析”逐层深入的顺序，介绍了虚拟设计各个技术内涵在 内燃机设计领域中的应用。 创造性地，提出“特征解决方案”的概念；预见到“模板设计是虚拟设计今 后的发展方向”；引伸出“基于虚拟设计技术的优化设计方法”；完善了现有的“配 气机构弹性动力学模型”：总结归纳更为完整的“虚拟样机”的定义。 首先，提出“特征解决方案”概念，旨在完善一套高效的设计模式以指导复 杂拓扑结构的虚拟化研发过程。并以内燃机可变涡流比进气系统为例，制定气道 3 d 建模的特征解决方案，使得气道研发以一种虚拟的方式在计算机中进行。为 评估新模式的优越性，本文介绍了该进气系统研发期间涉及到的c f d 分析过程。 其次，论述了虚拟设计在推广过程中遇到的社会问题，提出了“模板设计是 虚拟设计今后的发展方向”的论点。并以此为出发点，结合“基于虚拟设计技术 的优化设计方法”，将“模板设计”的思想融入特征参数化技术和行为建模技术， 开发了凸轮型线优化设计模板。运用该模板，对双顶置凸轮轴的凸轮型线进行了 优化计算；并对优化计算结果，进行了详细的弹性动力学分析，在动力学分析过 程中还对以往的顶置凸轮配气机构的动力学模型迸行了较大程度的改进。 次之，本文在相应章节介绍了“基于虚拟设计技术的优化设计方法”的相关 概念、技术构成和较传统模式的优越性；以“凸轮型线优化设计模板”为例，在 软件平台中实现了这一新模式；将曲轴动、静平衡和轻量化设计理论引入了行为 建模技术和特征参数化技术平台，优化设计曲轴平衡重，取得了十分显著的效果。 再次，继承优化计算得到的结论，建立了某一实例机型气门机构和配气机构 的“虚拟样机”，通过与物理样机获得的试验数据比较发现：本章所提到的虚拟 样机确实在很大程度上提高了内燃机配气机构的动力学计算的仿真程度，大大提 高了内燃机配气机构虚拟设计的可信度和产品实际性能的预测能力。 此外，本文以一章篇幅介绍了基于虚拟设计技术的运动学仿真分析方法的概 念、任务及意义，并以柴油机顶置双凸轮轴配气机构和蓝柄连杆机构为例，进行 了装配过程仿真设计和面向壳体类零件设计的机构运动学仿真分析的实践。 关键词：虚拟设计；特征解决方案；模板设计；优化设计；虚拟样机；运动学仿 真；动力学仿真； a b s t r a c t t ok e e pa p e r s p e c t i v eu p o n t h em o d e md e s i g nm e t h o d o l o g y , t h i sd i s s e r t a t i o ns t a r t s w i t ht h eh i s t o r yo fd e s i g n ，a n dt h e nc o n d u c t sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u e t i o na n d a n a l y s i sa i m e d a tt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n df u t u r eo f t h ev i r t u a ld e s i g ni ne n g i n e e r i n g f u r t h e r m o r e ，i nas t e p b y - s t e po r d e r m o d e l i n g ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，o p t i m a l d e s i g n , d y n a m i c sa n a l y s i s t h ea p p l i c a t i o n o f t h e s ec o n n o t a t i o n si ni c e n g i n ef i e l d h a sb e e ni n t r o d u c e dt h i sd i s s e r t a t i o n i n k i a t i v e l y , t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan e wc o n c e p t i o n f e a t u r es o l u t i o n ；a n d p r e d i c t st h a tt h et e m p l a t ed e s i g nw o u l db et h et e n d e n c yo f t h ev i r t u a ld e s i g n ；a n d d e d u c e sa n o p t i m i z i n gd e s i g nm e t h o d ( o d m ) b a s e d o nt h ev i r t u a l d e s i g n t e c h n i q u e ( v d t ) ；a n d c o n c l u d e sam o r e c o m p r e h e n s i v e d e f i n i t i o no fv i r t u a l p r o t o t y p e ；a n dd e v e l o p s t h ep r e v i o u se l a s t o d y n a m i c sm o d e lo fv a l v em e c h a n i s m f i r s t l y , t h en e wc o n c e p 6 0 n o f f e a t u r es o l u t i o ni sa i m e da td e v e l o p i n ga h i 曲e f f e c t i v e p a u e m t o g u i d e t h ev i r t u a l p r o c e s s i n d e s i g n i n g t h o s e t o p o l o g i e a l l yc o m p l e x s t r u c t u r e s m o r e o v e r ，t h i sd i s s e r t a t i o ns e t sd o w n as u i to f f e a t u r es o l u t i o nf o r3 d p o r t m o d e l so fa ne n g i n ei n t a k es y s t e mo fv a r i a b l es w i r lr a t i o w i t ht h i ss o l u t i o n t h e o v e r a l lp o r td e s i g np r o c e s sc a nb ec o n d u c t e di nav i r t u a lp a t t e m t oe v a l m a t et h e a d v a n t a g e so f t h en e wp a t t e m ，ac f da n a l y s i si sc o n c e r n e d s e c o n d l y , t h es o c i a lp r o b l e m s i ng e n e r a l i z i n gt h ev t r t u a ld e s i g nh a sb e e nd e s c r i b e di n 也i sd i s s e r t a t i o n a n dt h e ni tm a k e so u ta p r e d i c t i o i lt h a tt h et e m p l a t ed e s i g n w o u l db e t h e t e n d e n c y o ft h ev i r t u a l d e s i g n r e g a r d i n g t h i s p r e d i c t i o n a n da p p l y i n gt h e o d m v d t ，a no p t i m a lt e m p l a t eo f c a i ns h a p e1 i n e ( o t c s l ) h a sb e e ni n v e n t e db y t h i sd i s s e r t a t i o n ；t h i si sb e n e f i t e df r o mt h ec o m b i n a t i o nt h ei d e ao ft e m p l a t ed e s i g n w i t ht h ef e a t u r e p a r a m e t e rt e c h n i q u ea n db e h a v i o r a lm o d e l i n g t e c h n i q u e b y m e a n s o f t h i st e m p l a t e a no p t i m a lc a l c u l a t i o no f a p p l i c a t i o nh a sb e e nc o n d u c t e do nad o u b l e 0 v e r h e a dc 锄( o h c ) m e c h a n i s m m o r e o v e r , am u l t i - b o d yd y n a m i c sa n a l y s i si s p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f u r t h e r m o r e ，i nt h ec o u r s eo fd y n a m i c sa n a l y s i s t h e p r e v i o u sd y n a m i c s m o d e lo f0 h cm e c h a n i s mh a sb e e n d e v e l o p e d t oag r e a te x t e n t t h i r d l y , i n a g i v e nc h a p t e r , t h ec o n c e p t i o n s ，t h et e c h n i q u e e l e m e n t sa n dt h e a d v a n t a g e st ot h et r a d i t i o n a lp a t t e r n , w h i c ha r ec o n c e m e dw i t ht h eo d m - v d t , h a s b e e ni n t r o d u c e d m o r e o v e r , t a k i n gt h eo t c s la sa ne x a m p l e ，t h i sn e w p a t t e mh a s b e e nr e a l i z e di nt h ed i s s e r t a t i o n a n db yi n t r o d u c i n gt h ec r a n k s h a f td y n a m i c - s t a t i c b a l a n c e t h e o r y a n dt h e l i g h t d u t yd e s i g nt h e o r y i n t ot h ef e a t u r e - p a r a m e t e r t e c h n i q u e a n db e h a v i o r a lm o d e l i n gt e c h n i q u e ，a l lo p t i m i z i n gp r o c e s sh a sb e e n c o n d u c t e du p o nc r a n k s h a f tb a l a n c ew e i g h t ，a n dap e r f e c te f f e c th a sb e e n a c h i e v e d f o u r t h l y , b yu s i n gt h er e s u l tf r o mt h eo p t i m a lc a l c u l a t i o n ，t w ov i r t u a lp r o t o t y p e so f v a l v em e c h a n i s ma n dc a m s h a f tm e c h a n i s ma r eb u i l tu pf o rag i v e ne n g i n ei nt h e d i s s e r t a t i o n b yc o m p a r i s o n w i t ht h er e s u l t sf r o mt h e p h y s i c a lp r o t o t y p e s ，t h e s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ev i r t u a lp r o t o t y p e si nt h i sb o o ke x a c t l yi m p r o v et h e d y n a m i cs i m u l a t i o ne f f e c to f v a l v ea n dc a m s h a f tm e c h a n i s mt oag r e a te x t e n t ，a n dt h e n e wv i r t u a lp r o t o t y p e sp o s s e s sac r e d i t a b l ep r e d i c t i v ea b i l i t yf o rt h ee n g i n ev a l v e m e c h a n i s m p e r f o r m a n c e s i na d d i t i o n ，t h ec o n c e p t i o n s ，m i s s i o n sa n di m p o r t a n c eo ft h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o n b a s e do nv d t , h a v eb e e ni n t r o d u c e di no n ec h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n m o r e o v e r , t a k i n g ad o u b l eo h cm e c h a n i s ma n dac r a n k g u i d em e c h a n i s ma s o b j e c t s ，t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e so u ta p r a c t i c eo l lv i i t u a la s s e m b l y p r o c e s sd e s i g na n dk i n e m a t i c s s i m u l a t i o nf o rt h es h e l lp a r td e s i g n k e y w o r d s ：v i r t u a ld e s i g n ；f e a t u r es o l u t i o n ；t e m p l a t ed e s i g n ；o p t i m a ld e s i g n ； v i r t u a lp r o t o t y p e ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ；d y n a m i c ss i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 别毛 签字日期：上。p 弓年1 1 月j 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨窒盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 三1 毛 签字日期：b 醇年j 月l 日 导师签名粕专委 签字日期：切g 年l j 月，p 日 第一章绪论 1 1 “设计”定义的产生 第一章绪论 从茹毛饮血到击石制器，从树栖古猿到钻木取火，当人类第一次有意识地对 周围事物的存在形式进行能动地改变时，“创造”的过程便革命性的发生了，从 而，人类也就在本质上从动物界彻底地分化出来。再从穴居智人再到今日高度发 达的人类社会，一切物质文明和精神文明的成果都体现了人类伟大的创造能力。 “创造”是一种从构思到实现的过程，是为了满足某种需要而进行的一种人 类特有的活动：这种活动，今天就称作“设计”【l l 。换而言之，人类社会一切物 质文明的成果都是设计的产物。从四轮马车到航天器械，从茅舍草屋到万里长城， 无一例外的是人类设计史中的杰作。设计的历史也可以说就是人类自身的历史。 但是，长期以来，设计活动仅仅局限于盲目的、自发的设计过程。自觉的“设 计”是开始于1 5 世纪欧洲文艺复兴时期，直到2 0 世纪中期，设计仍被限定在比 较狭窄的专业范围内，某些情况下是常用较为单一的学科知识解决专业范围里某 几个设计问题。 为了更好地满足人类的需求，设计的方法必然是要发展的。进入工业时代， 随着创造性活动理论、现代决策理论、信息论、控制论、工业设计理论、系统工 程理论等现代理论与方法的发展及传播，人们冲破了传统学科间的专业壁垒，现 代科学走上日趋整体化的道路，从而促使“设计”从自发的单一的研究转变为自 觉的、系统的工程。因此，“设计”自身也就完成了从“传统设计”向“工程设 计”的转变。 提到“工程设计”，通俗地讲，是对工程技术系统进行构思、计划并把设想 变为现实的技术实践活动，设计的目的是保证系统的功能，建立性能好、成本低、 价值最优的技术系统。其中，技术系统：简言之就是要设计的产品。技术系统的 输入与输出是能量、物料、信号：输入量经技术系统转变为要求的输出量。不同 国家，甚至同一国内的不同行业对工程设计所下的定义有所不同，下面例举几种 典型的定义 2 1 ： 美国工科硕士、博士学位授予单位资格审查委员会( t h ea c c r e d i t a t i o n b o a r do fe n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g y ，简称a b e t ) 和美国机械工程师学会 ( a s m e ) 共同给出的定义是：“工程设计是为适应市场明确显示的需求，而拟 定系统、零部件、工艺方法的决策过程。在多数情况下，这个过程要反复进行， 要根据基础科学、数学和工程科学为达到明确的目标对各种资源实现最佳的利 第一章绪论 用”。 英国f i e l d e n 委员会给出的定义是：“工程设计是利用科学原理、技术知识和 想象力，确定最高的经济效益和效率实现特定功能的机械结构、整机和系统。 总之，关于“工程设计”的定义有三四十种之多，矛盾冲突有之，但基本上 是互补的。英国人w o o d e r s o n1 9 6 6 年下的定义，他说：“设计是一种反复决策， 制订计划的活动，而这些计划的目的是把资源最好地转变为满足人类需求的系统 或器件”。笔者认为这个定义可以概众家之说法。 1 2 设计方法发展过程中的几次飞跃 从上述关于“工程设计”含义可以看出，工程设计作为一项人类创造性的社 会历史活动，虽然，在其自身发展完善的不同时期，存在着某种共性的特质：“打 算获得什么样的功能及打算如何获得这样的功能”始终是设计活动的基本内容； 但是，作为工程设计操作者的人，在从事设计活动时的方式、方法却是依不同时 期有着其鲜明的时代特征。就设计方法( 或设计手段) 的发展历程而言，大体经 历了三次革命性飞跃。 1 2 1 直觉设计到设计图纸的产生 古代的设计是一种直觉设计，所谓“直觉设计”就是全凭人的直观感觉来指 导设计活动。产品的制造只是根据设计者本人的经验或其头脑中的构思完成，设 计者既是体力劳动者又是脑力劳动者。就设计任务而言，还没有和制造过程完全 分离。当然，由于设计方案仅仅存在于设计者的头脑之中，无法记录或表达，因 此，他们之间也就谈不上信息的交流。此时的设计基本上处于一种简单的、长周 期的、低效率的和自发设计的阶段。 随着生产的发展，设计任务逐渐变得复杂，这体现为，人们对产品的需求量 日益增加和对产品功能的期望日益完善。单个设计者已经无法在头脑中完成复杂 功能的设计任务，改进设计手段的客观要求促使设计者和设计者之间必须以一种 简单的图形化的工程语言对设计思路进行记录和交流。于是图纸，一种便于记录、 传播和交流的设计载体便应运而生。“图纸”的出现使得在设计者中( 最初是具 有相当经验的手工艺匠人) 产生分化，一部分掌握图纸使用的手工艺者，逐渐成 为专职的设计者，而他们的设计工作也由原来的面向物料过程转变为面向图纸的 设计过程。综上，图纸的出现使得设计者 3 】： 将自己的经验或构思记录下来，传于他人，便于设计的提高及改进： 进行复杂产品的设计与制造，满足人们对复杂产品的需求； 同时有较多的人参加同一产品的制造过程，满足社会对产品的需求及生产率 2 第一章绪论 的要求。 无疑，图纸的出现是人类设计史中的一次革命。它对于设计自身发展的影响 之深、范围之广，以致有人曾经为此给设计下过这样的定义：按照任务的目的和 要求，预先绘出工作方案的“图样”。当然，利用图纸进行设计不过是设计中的 一个阶段，这一点已被随后出现的计算机辅助设计技术所验证。 1 2 2 计算机辅助设计( c a d ) 的诞生和发展 c a d 是c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( 计算机辅助设计) 的缩写。与之密切相关 的c a m 是c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ( 计算机辅助制造) 的缩写。顾名思义， c a d 和c a m 是计算机帮助人进行设计和制造，计算机的工作是辅助性的。名 字的本身反映了c a d 和c a m 在其诞生之初所起的作用。 起初，计算机是作为计算工具而诞生的，后来广泛地应用于数据处理。至于 设计，人们一直认为它是一种复杂的人类思维形式。在这方面计算机帮不上什么 忙，至多在设计中遇到复杂的数值计算问题时，计算机才能派上用场。但实际上， c a d 的开创性工作是在上世纪6 0 年代中期，到现在不过4 0 年。计算机在设计 中的分析计算功能不断完善，而且在图形处理上也飞速发展。如今，c a d 已经 渗入科学技术的几乎一切领域。c a d 系统已成为工程技术人员不可缺少的工作 环境。 对于设计，其中的两项大任务是分析和绘图。设计中要显示产品的几何造型 图，待设计完成之后，设计的结果是工程图纸。设计方案好坏要进行分析和测试。 因此，计算机不但要具有分析计算能力，而且还要具有图形处理能力，才能在设 计中起到积极的作用。c a d 的产生和发展直和图形设备及计算机图形处理能 力息息相关。 值得一提得是，有限单元法( f e m ) 的出现，对于整个人类设计史具有里程 碑的贡献，它使得设计的整体思路由过去的经验设计和手动设计转变为预测设计 和精确高效设计。并且随着计算机运算速度的不断提高，使解决极其复杂的工程 问题成为可能，以至在过去相当长的一段时期，有限单元法几乎是c a d 的同义 语。 1 9 5 8 年，美国c a l c o m p 公司研制成功滚筒式绘图仪。同年，g e r b e r 公司由 数控机床发展成平板式绘图仪。两者可以在绘图仪画出任何由线条组成的图形。 绘图仪的诞生开始了c a d 发展的被动式绘图阶段。 1 9 6 2 年，美国麻省理工学院( m i t ) 林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发表了 “s k e t c h p o d ：一个人机通信的图形系统”的博士论文。这是公认的“交互式的 计算机图形学”的开端，它的出现为c a d 技术向“虚拟设计”飞跃提供了技术 上的可能。 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代，微电子工业飞速发展，计算机的处理速度和存储能力以每 年4 0 的比率上升，而体积和价格却以同样的比率下降。使得商品化c a d c a m 系统的普及成为可能。 2 0 世纪8 0 年代，c a d 软硬件向标准化、集成化和智能化发展，人工智能和 专家系统在c a d 系统中的应用，使c a d 向虚拟设计又接近了一步。 上世纪9 0 年代以来，计算机技术出现许多新成果；r i s c 微处理器广泛用于 工作站，图形的并行处理技术，多媒体技术的崛起都赋予c a d 技术以新的内容。 同时也为c a d 技术向“虚拟设计”飞跃提供了坚实的社会和技术基础【4 】。 1 2 3 虚拟设计的出现 c a d 技术的不断完善，以及虚拟现实技术日渐成熟，使得“虚拟设计” 一种全新的设计理念应运而生。简单地说，虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进 行设计。设计者可以在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修 改。 作为c a d 技术发展到高级阶段产生的技术成果，虚拟设计对传统的c a d 技 术体系有继承，更有突破，它们的区别主要有【4 】： a 讲区别，应首先重在结果，尤其是继承原有c a d 技术的资源和成果：其 次虚拟设计是以硬件的相对高投入为代价的； b c a d 技术往往重在结论，设计阶段可视化程度不高，到原型生产出来才 暴露出问题； c c a d 技术无法利用除视觉以外的其它感知功能； d c a d 技术无法进行深层次的设计，如：声学设计、动力学设计、流体流 场设计、结构分析设计和动力性能设计等。 对于虚拟设计的“设计”过程而言，所有的设计工作都是围绕虚拟样机而展 开的，只要虚拟样机能达到设计要求，则实际产品的相关性能必定能达到设计要 求；而传统设计时，所有的设计工作都是针对物理原型( 或概念模型) 而展开的。 而对于虚拟设计的“虚拟”而言，设计者可随时交互、实时、可视化地对样 机在沉浸或非沉浸环境中进行反复改进，并能立即看到修改结果；传统设计时， 设计者是面向图纸的，是在图纸上用线条、线框勾勒出概念设计。 就虚拟设计的优越性而言： a 它继承了虚拟现实技术的所有特点； b 它继承了传统c a d 的优点，便于利用原有成果； c 它具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计； d 它支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品 开发周期； 4 第一章绪论 e 另外，它便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。 图l 一1 发动机总成及其各子系统数字化模型 虚拟设计发展至今天，可以说，已经成为整个工业界和科技界从事相关专业 设计的技术人员不可缺少的开发工具。从小到牙刷、茶杯的设计，大到波音7 7 7 客机的设计，“虚拟”给设计者带来的不仅是高效、精准的设计产品，而且它更 加给设计者带来一种前所未有的、神奇的、身临其境的愉悦经历。虚拟化的设计 方式在某种程度上使设计者从繁重的“蓝领工作”解脱出来，真正体验到“创作” 经历的“快感”。 1 3 虚拟设计的构成 前面提到虚拟设计是以计算机辅助设计( c a d ) 为基础，利用虚拟现实技术 发展起来的一种新型设计系统。在从事虚拟设计过程当中，整个设计过程包含三 个方面的技术：虚拟现实技术、动态仿真分析技术和仿真分析的前、后处理技术， 三者的产生、发展及完善对于设计方式向虚拟化的方向转变起着不可轻视的作 用。 1 3 1 虚拟现实技术的定义、特征及基本实现方式 关于“虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y , 简称v r ) ”，是一种计算机界面技术。 从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供 诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方 便用户操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。虚拟现实利用计 第一章绪论 算机生成一种虚拟的环境( 如飞机驾驶舱、操作现场等) ，通过多种传感设备使 用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。这里的 所谓虚拟环境就是利用计算机生成的具体表面色彩的立体图形，它可以是某一特 定现实世界的真实体现，也可以是纯粹的数值或物理量世界。 因此，虚拟现实可以认为是对现实世界进行五维时空的仿真，即除了对三维 空间和一维时间的仿真外，还包含对自然交互方式的仿真。虚拟现实技术是一项 关于计算机、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术，就其重要特征 简言之有四1 4 j ： a 多感知性( m u l t i s e n s o r y ) ，对于一般的仿真系统而言，用户所获得的主 要是视觉感知，比较成熟的仿真系统有听觉感知，还要有触觉感知、运 动感知等； b 存在感( p r e s e n c e ) 又称为临场感( i m m e r s i o n ) ，它是指用户感到作为主 角存在于虚拟环境的真实程度； c 交互性( i n t e r a c t i o n ) ，它是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环 境得到反馈的自然程度( 包括实时性) ； d 自主性( a u t o n o m y ) ，它是指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。 虚拟现实的实现方式基本上有两种方法，即基于图象的方法( i m a g e b a s e d m e t h o d ) 和基于模型的方法( m o d e l b a s e dm e t h o d ) ，本文考虑到内容的相关性， 只对基于模型的方法作简单介绍。基于模型的方法又称为基于景物几何的方法， 是以几何实体建立虚拟环境。几何实体可采用计算机图形技术绘制，然后以统一 数据格式输出，进行实时渲染。建立虚拟现实模型后，通过加入事件响应，实现 移动、旋转、视点变换等操作，从而实现交互式虚拟环境。 基于模型的方法主要涉及以下关键技术： a 三维实体几何建模技术。虚拟环境的建模是虚拟现实技术的核心内容， 动态建模则是建模技术的难点： b 实时渲染技术。实时渲染是实现虚拟环境真实感的关键技术之一。如果 实时性不好，用户在虚拟环境中浏览或操纵时，会出现视觉或听觉滞后， 用户则很难在虚拟环境中获得参与感和沉浸感： c 碰撞检测、干涉校验及关联运动。为使虚拟环境对事件产生与真实环境 相同的反馈，碰撞检测、干涉校验及关联运动是不可缺少的技术。在机 械虚拟装配、机械设备虚拟布局等技术中，碰撞检测和干涉校验就显得 尤为重要。关联运动则反映虚拟环境中物体之间的联动关系。 d 物理属性。物理属性包括声学特性、动力学特性、流场特性、结构力学 特性和性能特性等。如何将以上特性转化为令用户易于感知的感官形式 第一章绪论 是与虚拟设计相关的虚拟现实技术的重要内容。 1 3 2 动态仿真分析技术( d y n a m i cs i m u l a t i o n ) 自1 9 6 5 年i v a ns u t h e d a n d 提出虚拟现实的概念以来，动态仿真分析技术始终 是与c a d 、3 d 图形和虚拟现实技术同步发展的。并且，随着大型的仿真计算软 件的日渐成熟和计算结果的可视 化程度越来越高，使得一些以往无 法想象的设计任务以一种面向图 形的虚拟方式在计算机中进行成 为可能。 动态仿真分析技术( 又称虚拟 样机技术) ，是2 0 世纪8 0 年代随 着c a d c a e 技术的发展而迅速发 展起来的一项新技术，其核心是系 统运动学和动力学仿真技术，同时 还包括三维c a d 建模技术、有限 图1 2 动态仿真分析技术的技术构成嘲 元分析技术、机电液控制技术、最 优化技术等相关技术( 如图1 2 所示“动态仿真分析技术的技术构成”) 。基于动 态仿真分析技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发 周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性 能，获得最优化和创新的设计产品。图1 3 示为内燃机可变涡流比迸气系统c f d 仿真实例。设计者在计算机上建立仿真模型，对模型进行各种动态性能分析，然 后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。 作为虚拟设计的重要技术构成之一，动态仿真分析技术与虚拟现实确实有很 大的相似之处，它们都是对现实世界的模拟。但它们也有很大的区别，虚拟现实 图1 _ 3 可变涡流比进气系统c f d 仿真实例 是对“现实”世界的创建和体 验，它为整个设计过程提供直 观且方便的设计环境：仿真 ( s i m u l a t i o n ) 贝l j 是使用计算机 软件来模拟和分析现实世界 中的系统行为( 如：运动学仿 真、动力学仿真等) ，它为整 个设计过程提供的则是性能 预测或可靠性依据。它们的本 质区别还体现在定性与定量， 第一章绪论 具体的说就是，“仿真”的目标一般是得到某些性能参数，主要是对运动原理、 力学原理等进行模拟，以获得仿真对象的定量反馈，因此，仿真环境对于场景的 真实程度要求不高，一般采用平面三维模型，且不进行氛围渲染。虚拟现实则要 求较高的真实感，以达到接近现实世界的感觉。虚拟现实的建模过程复杂，但对 于物理学特性要求并不严格。但总的来说，两者都服务于整个的虚拟“设计”过 程。 1 3 3 仿真分析的前、后处理技术 孤立地使用虚拟现实技术和动态仿真分析技术解决实际问题仍然是低效的， 有时甚至是不可行的。矛盾突出地表现在仿真分析前原始数据的输入和仿真分析 后输出结果的整理，即所谓“前、后处理”。例如，手工完成有限元前、后处理 的时间通常是计算时间的l o 2 0 倍；并且问题的规模越大，手工完成前、后处理 占用的时间就越多。前、后处理稍有差错，可能导致有限元分析失败。前、后处 理技术也称科学计算可视化技术，是随着计算机图形学的发展而发展的。先进的 前、后处理技术是c a e 软件实用化的体现和保障。科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o n i ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g 简称v i s c ) 是1 9 8 7 年由b h m a c c o r m i c k 等为美国国家 基金会所写的一份报告中首次提出来的，它是利用计算机图形学技术帮助科学工 作者洞察他们的处理和分析数据。 后处理技术的主要任务就是按计算结果绘制各种图或表，即计算结果的整 理。仿真分析计算完成后输出的数据结果往往极其庞大，而利用计算结果进行分 析研究的需求又多种多样。因此，v i s c 的研究领域中最活跃的就是三维数据场 的可视化技术，三维数据可视化技术是最近十年逐步发展起来的。近几年， o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 三维图形标准的出现在v i s c 中发挥了其独特 的优势。如今，后处理技术可以使仿真计算结果在屏幕上真实而形象地表现出来， 用户可随意观察关键点、线、部位在不同条件下的响应，也可以观察求解量( 数 或向量) 在整个区域内的分布，如形状改变、向量场、等值线、额值区( 云图) 等；对于动力学问题，用户可以观察到某些性能参数的变化形式及系统处于“工 作”状态时的动画效果。 总之，借助于前、后处理技术的虚拟现实技术和动态仿真分析技术才会在虚 拟设计过程中发挥它们的功效。 1 4 虚拟设计在汽车工业中的应用【4 在工业发达国家，虚拟技术在汽车工业中的应用已经很普及，很深入，尤以 美国为代表。g m 公司、f o r d 公司、戴克公司及m c i 公司、d e t r o i t 柴油机公司、 第一章绪论 a l l i s o n 发动机公司和c e i 汽车零部件都是应用虚拟技术的典型。虚拟技术使它 们在全球汽车工业竞争中立于不败之地，并不断发展壮大。 1 4 1虚拟零件设计技术在汽车工业中的应用 应用虚拟设计技术( v d t ) ，可以在计算机中实现整车及零部件的概念设计、 造型设计、总布置设计和结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、固有频率、 动态响应及疲劳使用寿命和噪声等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现问题并 尽可能地解决问题，从而提高一次成功率。由于零部件的虚拟设计是三维实体设 计，因而可以直接获得零部件的体积、质量、质心位置、截面积、截面惯性矩、 截面抗弯、抗扭模量等各种参数信息，为设计人员决策和管理人员核定成本提供 方便。三维模型与二维工程图是双向全关联的，修改三维模型将会自动更新二维 工程图及各种标注；修改二维工程图的尺寸也会自动更新三维模型。 美国通用公司进行底盘的虚拟总布置，包括电气和管路；德国z a k s p e e d 公司 进行赛车的概念设计；美国m c i 公司进行大客车的造型设计：我国亚星公司进 行客车骨架设计及其性能预测；我国成都成飞汽车模具中心进行模具设计及其成 型分析，以及其他公司在离台器、变速器、后视镜等其它零部件上的设计及仿真 分析。应用虚拟零件设计技术可以快捷地建立产品的模型族，迅速实现产品的变 型设计和系列化设计。 1 4 2 虚拟装配设计技术在汽车工业中的应用 采用二维图纸进行线性设计和平面设计，无法在很大程度上预先发现设计造 成的装配干扰( 装配干涉或不到位) 等问题，其结果往往要等到所有零件加工制 造好后实际装配才发现。通过使用装配过程模拟软件，应用虚拟装配技术( v a t ) ， 设计者在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和 干涉，也可通过程序自动检查装配状态。 美国g m 公司用于雪佛兰新型轿车l u m b a r 和越野车b l a z e r 的虚拟装配；底 特律柴油机公司、德国c a d f o r m 公司和英国c o s w o r t h 工程公司用于发动机的虚 拟装配；德国b o s c h 公司用于车用电动机的虚拟装配；上海汽车齿轮总厂对变速 器总成及换档机构进行虚拟装配；上海汽车工业技术中心对轻型客车底盘进行虚 拟装配。 1 4 3 虚拟实验技术在汽车工业中的应用 产品的虚拟零件模型或虚拟装配模型建立后，就可以在计算机中模拟真实的 实验环境、实验条件、实验负荷进行虚拟实验，预测它的安全性、可靠性、经济 性、气动性及舒适性等性能。 美国己成功开发虚拟道路模拟试验台( m t s ) 系统、虚拟汽车与障碍物汽车 之间的碰撞试验系统、虚拟汽车风洞气动特性试验系统等。 9 第一章绪论 虚拟实验技术在汽车工业中的另一个重要应用就是虚拟测试仪器( v t i ) 。2 0 世纪8 0 年代末出现的虚拟仪器。1 9 9 4 年，全世界虚拟仪器制造商己达9 5 家， 共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器，销售额达2 9 3 亿美元，占当年仪器销售7 3 亿美元 的4 。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，主要生产 厂家有h p 公司和t e k t r o n i x 公司。 1 4 4 虚拟制造技术( v m t ) 在汽车工业中的应用 虚拟制造包括热加工工艺模拟，切削、冲压加工过程及生产过程仿真等，除 能为设计人员自身提供有关信息外，还能为决策者提供影响产品性能、制造成本、 生产周期的相关信息。以便能够正确地处理性能、成本、进度和风险之间的平衡 关系。 最典型的应用成果之一就是在美国航空航天领域中的应用，例如，波音飞机 公司采用虚拟技术来进行波音7 7 7 飞机的制造，开发周期从通常的8 年减少到5 年，开发成本降低近l 3 。设计、加工、装配、测试等整个过程都是预先在计算 机中完成，做到了无纸设计和制造，保证了一次试制成功。又如，j o h n d e e r e 公 司运用虚拟制造技术进行弧焊生产系统的安装。另外，e d s 公司还应用d e n e b 软件为g m 公司的中、高档豪华汽车分厂进行生产线优化设计。g m 公司因此节 省了数百万美圆的研发费用，并且大大提前了上市时间。 1 4 5 基于以上虚拟技术的虚拟企业总体框架 在上述虚拟技术的成功发展和应用的基础之上，形成了在虚拟环境中对企业 的运行和生产进行模拟或组织的系统，称为“虚拟企业( v i r t u a le n t e r p r i s e ) ”又 称为“虚拟模型企业( v i r t u a lm o d e le n t e r p r i s e ) ”。它可以将企业生产和运行集成 在一起，在企业的各职能部门之间传输信息，提供一个具有柔性的模拟环境，对 企业和生产中的各种问题进行模拟，将复杂的企业运作状况实时地显示出来，并 现 实 企 业 网 络 虚拟产品平台 虚拟加工平台 虚拟生产平台 虚拟企业平台 产品建模产品优化设计产品性能评价 产品异地设计可制造性评价工艺验证 工艺规划工具设计 设备加工方案评估 刀轨优化虚拟加工 刀位控制优化 虚拟生产线虚拟生产布局装配规划生 产计划评价虚拟装配设备 企业协同工作环境企业虚拟运营 图l - 4 虚拟设计虚拟制造值拟装配，虚拟企业的总体框架 第一章绪论 进行分析。 上述波音飞机公司采用虚拟技术来进行波音7 7 7 飞机的制造实例便是一个虚 拟企业的成功案例。整个设计过程( 包括零件设计、装配设计、流程设计、物流 设计等等) 都是预先在计算机中完成。做到了无纸设计和制造的过程的同时，必 须要对生产原料、劳动力、设备厂房、作业完成状况等诸多信息