虚拟样机技术研究进展及发展趋势

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1 产品虚拟设计技术简介虚拟样机技术，就是利用计算机技术，对系统的零部件进行设计、分析 ，基于三维建模软件和技术得到整体模型，再对产品的各种工况仿真，在虚拟环境下逼真地模拟产品的使用及受力、磨损 、失效情况，对产品的整体生能进行预测和评估 ，获得最佳产品设计和性能的新技术。这-技术已经广泛应用于制造行业，并且对社会各个领域都带来了重大的影响。

虚拟样机技术和虚拟现实是分不开的。虚拟现实，就是把人的相像力与电子学等技术相结合，利用多媒体技术形成的特殊环境，用户能够利用不同的传感系统和仿真环境进行互动，在虚拟现实中，人的体验甚至会超过在现实世界的感受。这种技术具有比普通 CAD系统更优越的人机交互性能，因为设计者可以利用触觉、视觉、听觉及手势、声音等信号和设计对象进行交互。

2 虚拟样机技术的形成和发展虚拟样机技术 的形成与多体系统动力学的研究密切相关。复杂的系统，其力学模型-般 由多个物体利用不同的运动副相连接，称为多体系统。对于多体系统的研究 ，起源于古典刚体力学和分析力学 ，后来又产生了图论 以及与计算机相结合的多体系统动力学。

虚拟样机技术的成熟和市朝 ，还得益于计算机辅助设计(CAD)技术的不断发展、普及和应用。因为 CAD软件的三维造型功能使对于机械系统的表达问题变得简捷和直观，而且 CAD中对三维模型的编辑和修改功能使机械设计能够快进行速修改变，可以使设计结果在计算机中进行反复的设计、试验，而省去了制造物理样机的成本和时间▲入20世纪八 、九年代以来，计算机技术的迅速发展，更为虚拟机技术的成熟和应用提供了操作平台。

3 虚拟样机技术的研究现状目前，虚拟样机技术已经取得了重大的研究进展 ，特别是在机械加工方面获得了广泛的应用和突破。其中，欧美国家始终走在这-行业的前列。

美国早在上个世纪 8O年代，就着手进行虚拟制造方面的研究和开发，目前，在虚拟现实、虚拟环境仿真、信息系统以及虚拟企业等多方面都取得突破 ，有些技术经过实验、探索和应用，已经趋于完善阶段。其中，隶属于华盛顿大学的虚拟制造实验室开发的虚拟环境 VEDAM应用于虚拟设计 、虚拟制造、虚拟装配等方面已经有了-定的规模。美 国政府和企业对虚拟企业也十分关注 ，这方面的研究仪常活跃，在研究敏捷制造技术方面走在了世界前列。当然 ，因为制造行业是-项复杂而又完整的体系，虚拟制造技术还不能对各个方面进行充分的集成，还需要进行不断的研究和探索 。

在欧洲，-般以大学为中心，对虚拟制造技术开展了-系列的研究，在产品的建模、仿真、虚拟车间等工程领域取得了很多进展。日本的虚拟制造系统也主要关注产品的建模和仿真，并且在虚拟工厂的构造环境方面开展了多方面的研究。

在我国，虚拟样机技术起步相对较晚，由于在 CAD/CAE/CAM、建模、仿真等软件和技术的限制和制约，在上个世纪的很长-段时间内，我国都处于对国外虚拟技术进行消化和本土化的结合阶段。在经过了理论和实践方面的准备阶段后，我国也在 cAD/cAE/cAM、仿真等技术的基础上 ，对虚拟技术进行了研究。在本世纪，我国的虚拟技术发展较快，出现了强劲的势头。比较出色的有 ：机械科学研究院、同济大学和香港理工大学进行合作，对异地设计与制造和分散网络化制造等方面研究和应用活动取得了重大的进展 ；清华大学开发了虚拟设计环境软件，在此基础上进行了虚拟现实、虚拟汽车、虚拟机床等方面的训练；浙江大学在分布式虚拟技术、虚拟工作台、虚拟装配等方面有了重要突破；另外 ，还有高校和研究机构在远程智能协同设计 、建模技术、虚拟仿真 、应用网络技术等方面进行广泛的研究。当然，我国的研究在理论和实践的深度方面与国际水平还存在着较大的差距。

总体看来，虚拟样机技术在理论和应用方面都有了重大进展，能够初步处理较为复杂的工程问题，在航天航空业、工程机械、汽车制造、国防等各种领域有了广泛的应用 。-些世界著名企业已经应用虚拟样机技术开发出了成熟的产品，如波音飞机公司的777型飞机就是应用虚拟技术进行设计和开发的典型实例，从设计、装配、测试等不同的环节，都利用计算机进行了模拟，使飞机得以-次试制成功，并大幅度地减少了设计周期，降低了设计成本和技术风险，提高了产品质量。

4 虚拟样机技术展望由于对虚拟样机技术越来越受更加广泛的重视，所以，越来越多的学者投入到这-领域，深入研究虚拟样机技术和开发模式，探讨虚拟样机的关键技术，这-现象必将会促进虚拟技术在理论和应用上不断走向成熟，在提高产品的开发能力 ，增强企业的竞争力方面都会起到作用和影响。在虚拟技术的应用方面，首先是建模技术还需要进-步的研究和完善。在这方面，需要模型的可扩展性、开放性、可重用性以及互操作性等方面的缺陷和不足。在虚拟样机技术方面，需要进-步研究和探讨如何对开发虚拟样机 中的不同活动进行管理、协调、优化 ，使这-技术在应用上更加简单和易于推广和普及。

5 结束语虚拟样机是多种理论和技术的综合，其关键内容是对多体系统的运动学和动力学进行建模、分析和虚拟真实环境的技术。这是-项相对独立的技术和产业，必将会对机械制造等不同的行业甚至是人们的社会生活产生深远的影响。