隨著全球經濟的一體化，工程機械產品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，各企業必須不斷縮短新產品的研發周期，提高產品質量、性能，降低開發成本。在這種需求下，以虛擬現實技術為代表的計算機技術不斷發展，使虛擬設計逐步成為工程領域一種新的現代化設計手段。運用虛擬設計的方法，可以在產品設計初期，設計、分析和評估產品的性能，確定和優化物理樣機參數，從而降低新產品的開發風險，縮短開發周期，提高產品性能。

　　在各種成熟的三維CAD、CAE商業計算機軟件的推動下，虛擬樣機技術（Virtual Prototype）不斷發展，使工程機械產品的虛擬設計逐步走向成熟。但對于虛擬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，因此許多國內企業面對市場上眾多的CAD、CAE商業軟件，卻不能充分應用虛擬樣機技術。本文從虛擬樣機技術的概念出發，基于并行設計思想，構建了適合工程機械的虛擬樣機研究平臺。

　　1 虛擬樣機技術

　　虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術，它是在制造第一臺物理樣機之前，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，將產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，從而為產品的設計、研究、優化提供基于計算機虛擬現實的研究平臺。因此虛擬樣機亦被稱為數字化功能樣機。

　　虛擬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產品設計理念。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，而虛擬樣機技術則是強調整體的優化，它通過虛擬整機與虛擬環境的耦合，對產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，傳統的產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態交互與協同求解，因此設計的不足往往到產品開發的后期才被發現，造成嚴重浪費。運用虛擬樣機技術可以快速地建立包括控制系統、液壓系統、氣動系統在內的多體動力學虛擬樣機，實現產品的并行設計，可在產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產品設計過程的驅動。

　　虛擬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、著陸過程仿真，太陽帆板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標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，虛擬樣機技術在機器人、紡織機械、工業機床、包裝機械等生產機械領域有更廣泛的應用。

　　虛擬樣機技術在工程機械領域可應用的方面有：履帶式和輪式車輛穩定性、操作性能研究，液壓系統、牽引設備性能預測，推土機、挖掘機、林業機械等動態性能研究，零部件和發動機載荷預測與尺寸確定，駕駛員視野研究，預測挖掘機所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。圖1為液壓挖掘機虛擬樣機，圖2為履帶虛擬樣機正在進行性能測試。

　　2 基于并行設計的虛擬樣機研究平臺

　　工程機械產品傳統的設計過程如圖3所示。傳統設計過程難以發現現有方案中存在的不足，產品有潛在的質量問題；物理樣機設計、制造和測試周期長，消耗大，方案不易改動；難以找到最優方案，造成產品材料的浪費；難以預測產品壽命，產品可靠性不高。

　　針對產品傳統設計過程的弊端，根據并行設計思想，利用現有虛擬樣機技術的構成技術和產品，可構建工程機械產品開發的虛擬樣機研究平臺，如圖4所示。

　　虛擬樣機技術在工程機械領域的應用

　　產品的設計流程包含結構設計、結構有限元分析、系統運動學與動力學分析、控制系統設計、虛擬樣機作業過程模擬、系統穩定性與安全性評價、系統故障預測及冗余設計等。該設計過程在設計初期就充分考慮結構系統與控制系統的相互耦合作用，并進行產品作業全過程的計算機模擬，預測產品的性能、壽命及可靠性，從而縮短了開發周期，降低產品開發成本和開發風險。

　　運用目前市場上一批成熟的CAD、CAE商業軟件，可實現如圖4所示工程領域虛擬樣機研究平臺。在產品結構三維CAD設計方面有 Pro/Engineer、UG、SolidWorks、SolidEdge等。結構分析軟件有ANSYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等。運動學和動力學仿真軟件可采用ADAMS軟件。控制系統仿真軟件可采用MATHWORKS公司的MATLAB軟件。CAD、CAE軟件的商業化提供了上述各軟件之間數據的相互接口，并且具有十分強大的二次開發能力。通過三維CAD設計的結構模型可傳入結構分析軟件和運動學、動力學仿真軟件ADAMS中進行分析。在ADAMS中建立多體模型并定義變量，定義的變量通過ADAMS和MATLAB的接口，傳輸到MATLAB中，對控制方案進行仿真。仿真結果可再傳回ADAMS中進行分析。通過重復這樣的設計-仿真交互，直到得到滿意的結果。

　　3 虛擬樣機技術在工程機械領域的發展前景

　　虛擬樣機技術的發展，使產品設計可擺脫對物理樣機的依賴，體現了一種全新的研發模式，它在工程領域的迅速發展，必將給企業帶來重大的影響。

　　（1）高效的研發手段促使產品的更新換代加快，產品開發風險降低，企業的生產效率將大大提高。“最快者生存”將成為企業市場競爭的法則。

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　　（2）虛擬產品的銷售。虛擬樣機技術和柔性制造技術已經使虛擬產品銷售成為可能，即企業先通過虛擬樣機找到客戶，再組織生產。因此企業在產品制造和市場競爭方面更具靈活性。

　　（3）企業間的動態聯盟。產品的數字化使企業能夠通過Internet進行產品信息的快速交流，克服單個企業資源的局限性，將具有開發某種新產品所需的知識和技術的不同組織或企業組成一個臨時的企業聯盟，即企業間的動態聯盟，以適應瞬息萬變的市場需求和激烈競爭。

　　（4）對技術人員提出更高要求。基于虛擬樣機技術的并行工程是一門綜合多學科的技術，是對產品相關過程進行并行、一體化設計的一種系統技術。它組織多學科的產品開發小組協同工作，因此各子系統設計員必須了解虛擬樣機技術相關專業的知識，專業分析員也必將轉變為產品設計者。協同工作能力將成為企業技術人員最重要的素質。

　　可以預見,在21世紀虛擬樣機技術必將成為工程機械領域產品研發的主流。國內各企業應加強對它的應用研究，使產品更具市場競爭力，迎接全球經濟一體化的挑戰。

　　參考文獻
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　　3 馮雅麗,李瑞濤等. 虛擬樣機技術及其在深海采礦系統開發中的應用前景. 2001中國大洋礦產資源研究開發學術研討會論文集