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虚拟样机技术将成为工程机械领域产品研发的主流

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虚拟样机技术在工程机械领域的应用
  随着全球经济的一体化,工程机械产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争力,各企业必须不断缩短新产品的研发周期,提高产品质量、性能,降低开发成本。在这种需求下,以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展,使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法,可以在产品设计初期,设计、分析和评估产品的性能,确定和优化物理样机参数,从而降低新产品的开发风险,缩短开发周期,提高产品性能。

  在各种成熟的三维CAD、CAE商业计算机软件的推动下,虚拟样机技术(Virtual Prototype)不断发展,使工程机械产品的虚拟设计逐步走向成熟。但对于虚拟样机技术这种新观念、新技术,目前尚无统一的定义与体系结构,因此许多国内企业面对市场上众多的CAD、CAE商业软件,却不能充分应用虚拟样机技术。本文从虚拟样机技术的概念出发,基于并行设计思想,构建了适合工程机械的虚拟样机研究平台。

  1 虚拟样机技术

  虚拟样机技术是一门综合多学科的技术,它是在制造第一台物理样机之前,以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心,运用成熟的计算机图形技术,将产品各零部件的设计和分析集成在一起,建立机械系统的数字模型,从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。

  虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用,更是一种全新的机械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比,传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真,而虚拟样机技术则是强调整体的优化,它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合,对产品多种设计方案进行测试、评估,并不断改进设计方案,直到获得最优的整机性能。另一方面,传统的产品设计方法是一个串行的过程,各子系统(如:整机结构、液压系统、控制系统等)的设计都是独立的,忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解,因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现,造成严重浪费。运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机,实现产品的并行设计,可在产品设计初期及时发现问题、解决问题,把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。

  虚拟样机技术已被广泛应用在航空航天、汽车制造、工程机械、铁道、造船、军事装备、机械电子,以及娱乐设备等各个领域。在航空航天领域有许多成功应用:空间系统的捕捉与对接,飞船与空间飞行器发射、对接、着陆过程仿真,太阳帆板展开机构分析与设计,飞机起落架工作过程等。在军用装备方面有目标跟踪系统与控制系统设计,武器装填与发射系统仿真,履带式和轮式车辆动力学仿真,重型坦克跨越障碍能力,坦克行驶稳定性优化与炮塔控制等。通用机械方面,虚拟样机技术在机器人、纺织机械、工业机床、包装机械等生产机械领域有更广泛的应用。
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