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虛拟樣機技術将成為工程機械領域産品研發的主流

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虛拟樣機技術在工程機械領域的應用
  随着全球經濟的一體化,工程機械産品市場的競争日益激烈。為了提高市場競争力,各企業必須不斷縮短新産品的研發周期,提高産品質量、性能,降低開發成本。在這種需求下,以虛拟現實技術為代表的計算機技術不斷發展,使虛拟設計逐步成為工程領域一種新的現代化設計手段。運用虛拟設計的方法,可以在産品設計初期,設計、分析和評估産品的性能,确定和優化物理樣機參數,從而降低新産品的開發風險,縮短開發周期,提高産品性能。

  在各種成熟的三維CAD、CAE商業計算機軟件的推動下,虛拟樣機技術(Virtual Prototype)不斷發展,使工程機械産品的虛拟設計逐步走向成熟。但對于虛拟樣機技術這種新觀念、新技術,目前尚無統一的定義與體系結構,因此許多國内企業面對市場上衆多的CAD、CAE商業軟件,卻不能充分應用虛拟樣機技術。本文從虛拟樣機技術的概念出發,基于并行設計思想,構建了适合工程機械的虛拟樣機研究平台。

  1 虛拟樣機技術

  虛拟樣機技術是一門綜合多學科的技術,它是在制造第一台物理樣機之前,以機械系統運動學、多體動力學、有限元分析和控制理論為核心,運用成熟的計算機圖形技術,将産品各零部件的設計和分析集成在一起,建立機械系統的數字模型,從而為産品的設計、研究、優化提供基于計算機虛拟現實的研究平台。因此虛拟樣機亦被稱為數字化功能樣機。

  虛拟樣機技術不僅是計算機技術在工程領域的成功應用,更是一種全新的機械産品設計理念。一方面與傳統的仿真分析相比,傳統的仿真一般是針對單個子系統的仿真,而虛拟樣機技術則是強調整體的優化,它通過虛拟整機與虛拟環境的耦合,對産品多種設計方案進行測試、評估,并不斷改進設計方案,直到獲得最優的整機性能。另一方面,傳統的産品設計方法是一個串行的過程,各子系統(如:整機結構、液壓系統、控制系統等)的設計都是獨立的,忽略了各子系統之間的動态交互與協同求解,因此設計的不足往往到産品開發的後期才被發現,造成嚴重浪費。運用虛拟樣機技術可以快速地建立包括控制系統、液壓系統、氣動系統在内的多體動力學虛拟樣機,實現産品的并行設計,可在産品設計初期及時發現問題、解決問題,把系統的測試分析作為整個産品設計過程的驅動。

  虛拟樣機技術已被廣泛應用在航空航天、汽車制造、工程機械、鐵道、造船、軍事裝備、機械電子,以及娛樂設備等各個領域。在航空航天領域有許多成功應用:空間系統的捕捉與對接,飛船與空間飛行器發射、對接、着陸過程仿真,太陽帆闆展開機構分析與設計,飛機起落架工作過程等。在軍用裝備方面有目标跟蹤系統與控制系統設計,武器裝填與發射系統仿真,履帶式和輪式車輛動力學仿真,重型坦克跨越障礙能力,坦克行駛穩定性優化與炮塔控制等。通用機械方面,虛拟樣機技術在機器人、紡織機械、工業機床、包裝機械等生産機械領域有更廣泛的應用。
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