虚拟样机技术 上

绪论

虚拟样机技术概述

1.1.1虚拟样机技术的概念

虚拟样机技术是年代逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。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]2][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[：

[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。

国外其它学者对虚拟样机技术的定义大同小异，主要区别在于技术的构成及其范畴上。如. 和等人认为虚拟样机技术是将建模技术、计算机支持的协同工作()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[；等人认为，虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发( ,简称)是分不开的。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。的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖才能实现]2[。

国内学者在从事虚拟样机技术方面工作中也提出了一些见解，特别是对应用过程及其优点作了比较具体的阐述。例如，李瑞涛等认为所谓虚拟样机技术就是在建造物理样机之前，利用计算机技术建立产品系统的计算机模型，通过虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能等方面交互的建模与分析，模拟该系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，从而反复修改设计，以得到最优设计方案]2[。唐硕、赵建卫等认为，虚拟样机技术是建立在、系统仿真和虚拟现实基础上的，通过在计算机上建立在一定程度上具有与物理样机相似的功

能真实度的数字模型（包括几何外形、传动和连接关系、物理特性、动力学和运动学特性等）表示物理样机的各个部分、各个部件以及整个原型样机，能够方便地对系统反复进行修改，直至达到满意的设计性能指标的一种新概念技术]3][1[。

1.1.2虚拟样机技术的背景]5][4[

任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。

虚拟样机技术的产生有其经济背景。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低设计成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场，然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。

在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计－实验－设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其是对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，同时，样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场以及设计成本的考虑而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量提高，成本降低和对市场的占有。

如果基于实际样机上的设计验证能像小孩子搭积木一样简单，这个问题便迎刃而解。虽然复杂的机械系统不可能用积木搭出来，但我们可以通过计算机类似做到这一点。机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，就可以像搭积木一样把机械系统组装起来，形成虚拟样机，然后观察它是怎样运动的，通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设计质量。

虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中。在概念设计和方案论证中，设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验，通过试验中的反馈信息不断地指导设计，顺利地完成产品研发过程。由于虚拟样机比物理样机更易于产生和显示，能方便快捷地反复修