虚拟样机技术在全生命周期中的应用

虚拟样机技术在全生命周期中的应用

随着现代科学技术的发展，工程教学的理论、方法和方法发生了很大变化。从计算机辅助工程(CAE)的广泛应用,到并行工程(CE)思想的提出与推行,从根本上改变了传统的设计方法,极大地促进了制造业的发展和革命。但与此同时,人们已清楚地认识到:即使系统中的每个零部件都是经过优化的,也不能保证整个系统的性能是良好的,即系统级的优化绝不是系统中各部件优化的简单叠加。于是,由CAX/DFX等技术发展而来,以系统建模、仿真技术为核心的虚拟样机技术(VirtualPrototyping)得到了迅速发展,并正成为各国纷纷研究的新的热点。1虚拟样机技术开发方面虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法,这些数字模型即虚拟样机(VirtualPrototype,VP),将不同工程领域的开发模型结合在一起,能从功能、性能和行为上模拟真实产品。利用虚拟样机可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估,缩短开发周期,降低成本,改进设计质量,提高企业面向客户、敏捷响应市场的能力。传统的机械设计方法是“由下到上”,即从部件设计到整机设计,这种方式的弊端是过分注重细节而忽略了系统整体性能。而虚拟样机技术在CAX(如CAD、CAM、CAE等)/DFX(如DFP、DFA、DFM、DFT、DFQ、DFC、DFS等)等技术基础上,进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术,并将这些技术应用于复杂系统全生命周期、全系统,并对它们进行综合管理,从系统的层面来分析复杂系统,支持“由上至下”的复杂系统开发模式。虚拟样机开发技术与传统产品设计技术相比,具有如下特点:(1)面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为;(2)涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期,并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善;(3)支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上,利用计算机网络通讯技术,使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流,协同进行产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估活动。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理样机设计制造技术发展过程中从CAX向集成优化的现代集成制造系统(CIMS)的发展历程一样,复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程——复杂产品虚拟样机工程。虚拟样机技术的出现,不仅仅是一种新技术的应用,而是设计思想的变革,将对制造业产生深远的影响。2虚拟样机技术近年来,虚拟样机技术已在产品开发的各个领域和不同阶段取得许多研究成果和成功应用。美国波音飞机公司波音777飞机的研制成功是虚拟样机技术应用的典型范例,其设计、装配、性能评价及分析均是在计算机中模拟完成,对比以往的飞机研制,波音777成本降低25%,制造周期缩短了50%,而且确保了最终产品一次接装成功,成为全球首架采用虚拟样机技术研发及制造的飞机。福特、Caterpillar、JohnDeere等国外著名公司也广泛采用虚拟样机技术,以减低开发设计的风险和成本,改进产品质量,并取得了良好的经济效益。在国内,对虚拟样机技术及其应用研究目前一方面集中于对其技术内涵、组成、运行模式、体系结构及其使能技术进行了探讨,以期构建自主的虚拟样机开发支持环境。另一方面则侧重于虚拟样机技术的在各领域的应用研究。如中航第一飞机研究院成功推出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,并取得了很好的成果。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。3ytem仿真分析虚拟样机技术的实现需要成熟商品化软件系统的支撑。而在虚拟样机的各种特性分析中,机械系统动力学分析占据了重要的地位。正是由于机械系统动力学分析与仿真技术的成熟,CAE技术才真正进入系统层次上的分析。国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成,较有影响的有美国MSC公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS及德国航天局的SIMPACK,其中美国MSC公司的ADAMS在1999年占据了市场的50%以上。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是以近20年发展起来的多体系统动力学理论为基础而开发出的目前世界范围内使用最广泛的大型机械系统仿真分析软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以很方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。通过ADAMS软件,可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型,能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果。另一方面,又是虚拟样机的分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通讯,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS仿真分析步骤如图1所示。ADAMS结合了各领域丰富的实践经验,融合了信息技术、仿真技术、计算机技术等高新技术,借助于高速计算机与机械系统运动学、动力学、弹塑性力学、系统工程学、计算机仿真等相关科学技术,从而构造出的一个能模拟现实系统的虚拟样机的建造与CAE/CAM仿真分析环境。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能,方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力,所以该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。4系统建模及仿真笔者在参与某型号铁路桥梁检查车项目研制过程中,采用机械系统动力学分析软件ADAMS对虚拟样机技术应用进行了有益的探索。铁路桥梁检查车是对铁路桥梁作检查的专用车辆,由下车行驶部分和上车作业部分组成。上车作业部分的运动机构达十个之多,其运动组合状态十分复杂。为了在设计开发阶段能全面分析掌握车辆在任意运动状态下各零部件受力情况,采用ADAMS虚拟样机技术,建立铁路桥梁检查车上车系统的ADAMS模型,通过已知的各运动部件的运动规律,确定各液压油缸工作载荷及各运动副的动反力,为系统各零部件强度分析及液压系统设计提供了依据。铁路桥梁检查车上车系统主要由转台1、变幅油缸2、主臂(含一节臂3、二节臂4和伸臂油缸)、旋臂回转支承、第一折臂油缸5、第一折臂(含一节臂6、二节臂7、三节臂8及伸臂油缸I和II#)、第二折臂油缸9、第二折臂(含一节臂10、二节臂11和伸臂油缸)。匪臂12、工作斗13及回转液压马达、端臂油缸、工作斗调平油缸等组成。采用ADAMS/View自身的实体建模器建立上车系统的ADAMS几何模型。上车部分行驶状态(非作业状态)如图2所示,作业状态如图3所示。本仿真即要实现工作斗施加以350kgf后上车部分从图2到图3全过程中各部件及运动副的动力学分析。首先根据上车系统各零部件之间的相互连接及运动关系,采用ADAMS约束库,将各构件连接起来组成一个完整的机械系统。其次由于桥梁检查车上车系统的运动通过整车液压系统驱动11个单杆活塞式液压缸和2个液压马达来实现的,在分析过程中,连接各液压缸的移动副和各液压马达的转动副的运动约束是按预期的运动规律予以确定的。其中工作斗的运动在实际工作过程中是通过角度传感器及相应的控制系统来驱动调平油缸工作的。本文在计算过程中由于调平缸运动规律未知,初次仿真时不设置调平缸的运动约束,而通过平行轴约束使工作斗工作时始终保持水平,同时测量调平缸的运动规律,并用测量结果生成样条函数,然后通过CUBSPL函数定义调平缸的运动。通过建立相应的对象测量,运行250s、500步的动态仿真分析。通过ADAMS/PostProcessor,获得在250s内各油缸力(图4