虚拟样机技术在工业设计中的应用与发展

虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术融合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。尽管它的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，但没有成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟样机技术也不会成熟。虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与3C技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于3C强大的三维几何编辑修改技术，使机械系统设计的快速修改变为可能。在此基础上，基于计算机的设计、试验、设计的反复过程才有时间上的意义。

虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。

虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology，VMT）首先在飞机、汽车等领域获得成功的应用。飞机制造业对虚拟样机的需求最为迫切，因为飞机成本非常高，系统复杂，因此不可能制造多台物理样机或多台飞机子系统物理样机。此外飞机实地试验耗资巨大，危险系数高，且受到安全法规的严格限制，还必须满足产品安全性、性能和可靠性的标准。

目前虚拟样机技术除了应用到飞机、汽车制造业外已经广泛地应用到工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领城，所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门，从上天的火箭到远洋轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支和时间，并通过仿真分析、试验设计、改进优化等最终给用户提供了满意的设计方案。

制造领域中虚拟样机技术在下面几个方面的作用尤为明显：

（1）产品的外形设计。以前，汽车外形造型设计多采用泡沫塑料制作外形模型，通过多次修改完成，既费工又费时，最终的结果也未必使人满意。采用虚拟技术的外形设计，可随时修改、评价，确定后方案的建模数据可直接用于设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。(www.xing528.com)

（2）产品装配仿真。机械产品的配合性和可装配性是设计人员容易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，从而造成巨大的经济损失。采用虚拟装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失。

（3）产品的运动和动力学仿真。运用虚拟样机技术在产品设计阶段就能展示出产品的行为、动态的表现以及产品的性能。在产品设计阶段解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等问题。

（4）虚拟样机与产品工作性能评测。首先进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试验成功率。采用虚拟现实技术，还可以方便、直观地进行工作性能检查。

虚拟样机技术的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，而计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。