1 虚拟样机技术概述
3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前， 设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进 行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件 下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。 4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际 产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力 学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建 立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真 实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简 和优化系统。
1 虚拟样机技术概述
虚拟样机技术是许多技 术的综合。它以多体系统运 动学与动力学建模理论及其 技术实现为核心，以仿真为 手段，各种CAX/DFX技术 为工具，它主要包括面向虚 拟样机的建模技术、基于虚 拟样机的仿真技术、针对虚 拟样机的管理技术、各类工 具的集成技术以及VR/人机 界面技术，其技术体系如图 2 所示。
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（2）国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异， 下面是几种有代表性的论述： 1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持 的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的 推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技 术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式 环境以支持产品设计过程中的并行工程方法 。 2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称 IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程 将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起， 对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和 费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术 必须依赖IPPD才能实现。
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1.2 虚拟样机技术的形成和发展 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程 中的对象是由大量零部件构成的系统，对它们进行设计 优化与性态分析时可以分为两大类： 一类称为结构，它们的特征是在正常的工况下构件 间没有相对运动（如房屋建筑、桥梁、航空航天器与各 种车辆的壳体以及各种零部件的本身），人们关心的是 这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。 另一类称为机构，其特征是系统在运行过程中这些 部件间存在相对运动（如航空航天器、机车与汽车、操 作机械臂、机器人等复杂机械系统）。
3）VP系统的容错性研究 和基于物理样机的仿真分析结果相比，应用虚拟 样机方法和工具进行仿真获得的数据存在着误差。误 差产生的原因可能是由于计算时间延迟、图像处理时 间延迟或用户在虚拟环境中拘束不安引起的。产品数 据可能会在不同系统平台交换过程中被损坏和恶化。 因此，应该研究出一个容错的VP系统以确保VP给出的 工程测试数据是可信的，并且任何可能的误差都能够 量化。
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3）美国波音公司的波音777大型客机是世界上首 架以无图纸方式研发及制造出来的飞机，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 但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确 保了最终产品一次性接装成功。对比以往的飞机，波 音公司减少了93%的设计更改和94%的成本。 4）在著名的工程机械厂商John Deere公司，为了 解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的 自激振动问题，工程师应用虚拟样机技术，不仅找到 了问题产生的原因，而且提出了改进方案，并且在虚 拟样机的基础上得到了验证，从而大大提高了产品的 高速行驶性能与重载作业性能。
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此外，在研究宇航员的空间运动、在车辆事故中 考虑乘员的运动以及运动员的动作分析时，人体也可 认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。上述复 杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统， 称为多体系统。 研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学 响应是产品设计中的重要问题。现代机械系统离不开 控制技术，产品设计中经常遇到达样的问题，即系统 的部分构件受控，当它们按某已知规律运动时，讨论 在外载荷作用下系统其他构件如何运动。这类问题称 为动力学正逆混合问题。
图2 虚拟样机技术的技术体系
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1.3 虚拟样机技术研究现状 虚拟样机技术仍处在发展阶段，各国学术界和技 术界都开始对这门新技术进行深入的研究，但完整的 理论体系还没形成，目前美国处于研究的前沿。 在美国，波音公司、通用动力公司和西科斯基公 司等许多商业和军用公司都在研究虚拟样机技术，并 己经成功开发出产品。 华盛顿大学(University of Washington)、北卡罗来 纳大学(University of North Carolina)也在进行相关的 研究，在爱荷华大学(University of Iowa)还成立有CAD 中心，从事车辆的虚拟样机研究工作。
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随着研究工作的不断深入和相关技术的进一步发 展，虚拟样机技术将得到更广泛应用。在我国，虚拟 样机技术正在引起重视，通过深入研究虚拟样机的关 键技术，进一步探讨虚拟样机的有效开发模式，尤其 是开发过程所涉及的各类活动的协调、管理和优化策 略，必将促进这一先进制造技术的推广应用，增强我 国企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业 中的地位。
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1.5 虚拟样机技术未来研究的重点方向 以取代物理样机为目标，VP具有改进当前产品开 发过程的巨大潜力，未来可能的研究发展方向如下： 1）设计、分析和仿真工具的集成 当前VP技术应用的局限性就在于缺乏各种在不同 开发工具之间进行数据交换的无缝连接方法。产品数 据表达和数据库研究仍然是主要课题，需要提出工具 集成的新方法。 2）将VP应用于可制造性、可维护性和可操作性分析 由于对产品可制造性、可维护性和可操作性没有 一个很好的了解，如何测试产品这些方面的性能也是 一个重要的课题。VP技术的应用提供了一条很有希望 的途径。
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国外虚拟样机相关技术的软件化过程己经完成， 较有影响的有美国机械动力学公司 (Mechanical Dynamics Inc) 的 ADAMS，CADSI 的 DADS，德国 航天局的 SIMPACK，其它还有 Working Model， FIow3D，I-DEAS，Phoenics，ANSYS 和 Pamcrash 等。 其中美国机械动力学公司的ADAMS占据了市场 的50%以上。 而在国内，虚拟样机技术的应用研究起步较晚， 目前，只有一些大学和科研院所在进行这一方面的研 究工作。虚拟样机要求的相关技术，如数据库技术、 CAX技术、网络技术、人在回路中的实时仿真技术以 及分布交互式仿真技术等己有一定基础，虚拟现实、 并行工程技术等也已开始进行研究。
图1 虚拟样机与物 理样机的关系
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从国内外对虚拟样机技术的研究可以看出，虚拟样 机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存 在不同定义。 主要观点如下： （1）美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性 意见为： 1）虚拟样机定义：虚拟样机是建立在计算机上的 原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样 机相当的功能真实度。 2）虚拟样机设计：利用虚拟样机代替物理样机来 对其候选设计的各种特性进行测试和评价。 3）虚拟样机设计环境：是模型、仿真和仿真者的 一个集合，它主要用于引导产品从思想到样机的设计， 强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。
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随着国民经济的发展与国防技术的需要，机械系 统的构型越来超复杂，表现为这些系统在构型上向多 回路与带控制系统方向发展。此外，机械系统的大型 化与高速运行的工况使机械系统的动力学性态变得越 来越复杂。高速机械系统各部件的大范围运动与构件 本身振动的耦合，振动非线性性态的表现等。复杂机 械系统的静力学、运动学与动力学的性态分析、设计 与优化向科技工作者提出了新的挑战。 20世纪60年代，古典的刚体力学、分析力学与计 算机技术相结合的力学分支———多体系统动力学在 社会生产需要的推动下产生了。其主要任务是：
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西南交通大学机械工程研究所对基于虚拟现实技 术的原型设计机理进行了研究，把虚拟现实技术与 CAD设计环境结合了起来。 上海交通大学建立了分布式虚拟制造系统的框架 体系(DVMS)。 中国农业大学周一鸣教授领导的机械系统虚拟样 机仿真分析研究课题组应用多体系统动力学理论和面 向对象的分析与设计方法，开发了基于中文Windows NT/2000平台的机械系统虚拟样机 (Mechanical System Virtual Prototyping) 仿真分析软件的原型 MSVP。
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1）美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成 功地实现了火星探测器“探路号”在火星上软着陆。JPL 工程师利用虚拟样机技术模拟宇宙飞船在不同阶段(进入大 气层、减速和着陆)的工作过程。在探测器发射以前，JPL 的工程师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，探测器很有可能在着陆时滚翻。工程师们针 对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵 火星表面，保证了火星登陆计划的成功。 2）一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火 控制系统的链条在转速达到6000r/min时运动失稳并发生振 动。常规的测量技术在这样的高温高速环境下失灵，工程 们不得不借助于虚拟样棚技术。根据对虚拟样机的动力学 及控制系统的分析结果，发现了不稳定因素，改进了控制 系统，使系统的稳定范围达到10000r/min以上。
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1）建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数 学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只 需输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动 进行程式化的处理。 2）开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与 数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应。 3）实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表 或其他方式提供数据处理结果。 在多系统动力学研究方法和理论不断成熟的前提 下，随着CAX技术的产生及大规模推广应用，虚拟样 机技术开始形成其技术体系并得到应用。
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