机械系统动态仿真技术.doc

机械系统动态仿真技术综述一、机械系统动态仿真技术简介 机械系统动态仿真技术，也叫虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technolo2gy,简称 VPT)。它是一种全新的机械设计方法，作为一项计算机辅助工程(CAE)技术于上个世纪 80 年代随着计算机技术的发展而出现，在 90 年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用。工程师在计算机上建立样机模型，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物理样机。机械系统动态仿真技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。二、虚拟样机定义虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。三、虚拟样机技术国内应用现状在国内，虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段，主要是引用国外的先进技术。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863 项目 “月球表面探测机器人方案研究” 则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境，并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究，取得了很好的成果。各研究院所纷纷开展虚拟样机技术在汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等方面的应用研究、仿真分析及二次开发。通过对虚拟样机各关键技术的深入研究,必将促进虚拟样机技术的推广应用，增强我国企业的产品开发能力。四、虚拟样机技术国外应用现状在国外，虚拟样机技术的应用在美国非常广泛。我们熟知波音 777飞机是世界上首架以无纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研发周期(8年缩短为5年)大大缩短，研发成本大大降低(设计费用降低94 %，设计更改降低 93 %)，而且确保了最终产品一次装机成功。波音西科斯基公司在设计 RA H266 直升飞机时，使用了全任务仿真的方法进行设计和验证，花费4 590 h 的仿真测试时间，节省了11590h 的飞行测试。1997年7月4日，美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(J PL)由于采用了虚拟样机技术，成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆。在探测器发射以前，J PL 的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后 6 轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。约翰迪尔(John Deere)是一家具有 160 多年历史、并在世界农业机械、建筑机械领域处于领先地位的世界 500 强企业，总部设在美国伊利诺伊州。迪尔公司也是全球柴油发动机大型生产商之一。为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重载下机械的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒是建筑机械、 矿用设备、 柴油和天然气发动机以及工业用燃气轮机领域的技术领导者和全球领先的制造商之一。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司的工程师们采用了虚拟样机技术，对装载机和挖掘机的工作装置进行了优化设计及分析，在一天的时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动和受力分析。通用动力公司 1997 年建成了第一个全数字化机车虚拟样机 ,并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。福特公司专门雇佣一家咨询公司用虚拟样机技术进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果为自己辩护。福特某一款新车型采用虚拟样机技术，缩短设计周期 70天。全公司内采用 VPT，减少设计费用4 000万美元，节省制造费用 10 亿美元。为了减少大型洗衣机的振动， Pellerin MilnorCorporation (洗衣机设备制造商)用 Adams (一个虚拟样机技术应用软件)建立了3种洗衣机的虚拟样机，然后修改设计方案，改变弹簧的刚度和阻尼，选用不同类型的减震器，变换衬套的尺寸和刚度，进行虚拟样机仿真试验。每个设计方案的仿真只需1h，但此后的物理样机实验证明与虚拟样机的吻合程度超过 95%。在此基础上，开发的新型洗衣机工作平稳,寿命长，振动噪声小。日产公司是日本的第二大汽车公司，也是世界10 大汽车公司之一。该公司除生产各型汽车外，还涉足机床、工程机械、造船和航天技术领域。日产汽车公司利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计和整车仿真设计等。在意大利，一位赛车手在赛车中因事故丧生，其家属起诉赛车制造商，认为事故的原因是赛车的设计缺陷，要求巨额赔偿。制造商借助于虚拟样机技术，说明赛车设计合理 ,事故原因是赛车手操纵不当。法庭根据 VPT 提供的证据，做出了客观的判决。从产品优化设计到工程咨询，虚拟样机技术的应用无处不在。五、虚拟样机技术发展的限制因素虽然在国内外虚拟样机技术得到了广泛的应用和发展，但是这个依赖 CAD 和 FEA 技术支撑的设计方法的进一步发展存在着许多其自身也无法控制的限制因素。1) 在普通的工程设计软件和分析软件中，设计和分析的主要对象是零件，针对系统优化的工程设计软件和分析软件很少功能不强；2) 目前，很多工程设计软件和分析软件在设计和分析一个复杂产品时，随着零部件数量的增多，会产生数据爆炸，使分析软件运算时间过长，甚至无法运算出结果；3) 虚拟样机技术系统的误差虚拟样机技术所采用的一些方法,例如有限元分析方法，是存在误差的。产品的数据在不同的软件平台之间交换的时候同样会给产品数据带来错误的信息。这样有必要对虚拟样机系统的误差进行研究,使得虚拟样机技术的设计过程中使用的数据是准确的,其中任何可能的错误都应检测到,并且进行量化。4) 应用虚拟样机需要一个大型工程数据管理软件( PDM)。但由于工程数据库管理的数据模型复杂、数据类型多样、交互性要求高，现在还没有成熟的工程数据库管理系统软件；5) 建立一个企业级的虚拟样机应用系统需购买大量针对系统设计的分析软件和高档图形工程站，且需培训设计人员，有些专用软件还需企业和软件开发商合作编写，因此需要花费大量的时间和金钱。一个企业如果无强大的经济实力和人才资源，是无法建立一个整机水平的虚拟样机应用系统的。六、虚拟样机技术的发展虚拟样机从其发展的历程来看，大致分为 2 个阶段。第1 阶段是分析型虚拟样机(Analytical Vir2t ual Prototyping)，这类虚拟样机主要依赖键盘、鼠标、显示器等常规计算机输入输出设备，进行分析和仿真。这类虚拟样机给设计者提供如动力学分析曲线、FEA 分析数据等非感性信息和3D模型等半感性信息。目前比较成熟的软件是 MSC. Sof tware 公司的 ADAMS和 CADSI 公司的 DADS。但是分析型虚拟样机侧重于零部件的分析，对整体结构的分析能力不足。虚拟样机发展的第 2 阶段是沉浸型虚拟样机( Immersive Virtual Prototyping)，这类虚拟样机依赖于计算机硬件技术的发展，利用实时渲染及模拟操纵等人机交互技术，并配备数据手套、头盔等设备，使得设计者能够身临其境地感受到产品的真实存在，在虚拟环境下对产品进行分析和处理。虚拟现实技术的发展为虚拟样机技术提供了这种新的人机交互方式。数据手套、数据头盔等的出现给虚拟样机技术的发展带来了机遇。在虚拟现实的条件下，对虚拟样机技术设计的产品进行测试和评估将是今后虚拟样机技术的主要发展方向，简言之，就是在虚拟现实环境下的虚拟样机技术。目前，虚拟样机技术已成为一项相对成熟的产业技术，它改变了传统的设计思想，将分散的零部件技术(如 CAX技术)和分